Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Akcelerátor

Hlavným výskumným zariadením laboratória je urýchľovač CEBAF, ktorý pozostáva zo zdroja a injektora polarizovaných elektrónov a dvojice 7/8 míle (1400 m) dlhých supravodivých RF lineárnych urýchľovačov. Konce oboch lineárnych urýchľovačov sú navzájom spojené dvoma oblúkovými sekciami s magnetmi, ktoré ohýbajú elektrónový zväzok do oblúka. Dráha lúča má teda tvar oválu pretekárskej dráhy. (Väčšina urýchľovačov, ako napríklad CERN alebo Fermilab, má kruhovú dráhu s mnohými krátkymi komorami na zrýchlenie elektrónov rozložených po kružnici). Keď elektrónový zväzok vykoná až päť po sebe idúcich obehov, jeho energia sa zvyšuje až na maximálnu hodnotu 6 GeV. CEBAF je vlastne lineárny urýchľovač (LINAC), podobne ako SLAC v Stanforde, ktorý bol zložený na desatinu svojej normálnej dĺžky. Funguje, akoby to bol lineárny urýchľovač dlhý 7,8 míle.

Konštrukcia CEBAF umožňuje, aby bol elektrónový zväzok kontinuálny, a nie pulzný, ktorý je typický pre kruhové urýchľovače. (Určitá štruktúra lúča existuje, ale impulzy sú oveľa kratšie a bližšie k sebe.) Elektrónový lúč je nasmerovaný na tri potenciálne ciele (pozri nižšie). Jedným z charakteristických znakov JLab je spojitý charakter elektrónového zväzku s dĺžkou zväzku menej ako 1 pikosekunda. Ďalšou je použitie supravodivej technológie JLab RF (SRF), ktorá využíva kvapalné hélium na ochladenie nióbu na teplotu približne 4 K (-452,5 °F), čím sa odstráni elektrický odpor a umožní čo najefektívnejší prenos energie na elektrón. Na dosiahnutie tohto cieľa využíva laboratórium JLab najväčšiu chladničku s kvapalným héliom na svete a bolo jedným z prvých realizátorov technológie SRF vo veľkom meradle. Urýchľovač je postavený 8 metrov, teda približne 25 stôp, pod zemským povrchom a steny urýchľovacích tunelov majú hrúbku 2 stopy.

Zväzok končí v troch experimentálnych halách, nazývaných hala A, hala B a hala C. Každá hala obsahuje jedinečný spektrometer na zaznamenávanie výsledkov zrážok medzi elektrónovým zväzkom a stacionárnym terčom. To umožňuje fyzikom skúmať štruktúru atómového jadra, konkrétne interakciu kvarkov, ktoré tvoria protóny a neutróny jadra.

Správanie častíc

Zakaždým, keď lúč obchádza slučku, prechádza cez každý z dvoch urýchľovačov LINAC, ale cez inú sadu ohýbacích magnetov. (Každá sada je navrhnutá tak, aby zvládla inú rýchlosť zväzku.) Elektróny absolvujú až päť prechodov cez urýchľovače LINAC.

Udalosť kolízie

Keď jadro v terči zasiahne elektrón zo zväzku, nastane "interakcia" alebo "udalosť", pri ktorej sa častice rozptýlia do sály. Každá hala obsahuje sústavu detektorov častíc, ktoré sledujú fyzikálne vlastnosti častíc vzniknutých pri udalosti. Detektory generujú elektrické impulzy, ktoré sa konvertujú na digitálne hodnoty pomocou analógovo-digitálnych prevodníkov (ADC), časovo-digitálnych prevodníkov (TDC) a počítadiel impulzov (scalers).

Tieto digitálne údaje sa musia zhromažďovať a ukladať tak, aby ich fyzik mohol neskôr analyzovať a rekonštruovať fyzikálne javy, ktoré nastali. Systém elektroniky a počítačov, ktorý túto úlohu vykonáva, sa nazýva systém zberu údajov.

Modernizácia na 12 GeV

Od júna 2010 sa začala výstavba ďalšej koncovej stanice, haly D, na opačnom konci urýchľovača ako ostatné tri haly, ako aj modernizácia, ktorá zdvojnásobí energiu zväzku na 12 GeV. Súčasne sa buduje prístavba testovacieho laboratória (kde sa vyrábajú dutiny SRF používané v urýchľovači CEBAF a iných urýchľovačoch používaných na celom svete).

12GeV modernizácia, ktorá je v súčasnosti vo výstavbe.

Laser na voľných elektrónoch

V laboratóriu JLab sa nachádza najvýkonnejší laditeľný laser na voľných elektrónoch na svete s výkonom viac ako 14 kilowattov. Americká námorná flotila financuje tento výskum s cieľom vyvinúť laser, ktorý by mohol zostreľovať rakety. Keďže laboratórium vykonáva utajovaný vojenský výskum, je pre verejnosť uzavreté s výnimkou dňa otvorených dverí, ktorý sa koná raz za dva roky.

Laser na voľných elektrónoch JLab využíva zariadenie LINAC na rekuperáciu energie. Elektróny sa vstrekujú do lineárneho urýchľovača. Rýchlo sa pohybujúce elektróny potom prechádzajú cez wiggler, ktorý vytvára jasný laserový svetelný lúč. Elektróny sa potom zachytia a nasmerujú späť na injekčný koniec zariadenia LINAC, kde odovzdajú väčšinu svojej energie novej dávke elektrónov a proces sa zopakuje. Vďaka opätovnému použitiu elektrónov a väčšiny ich energie si laser na voľných elektrónoch vyžaduje menej elektrickej energie na prevádzku. Laboratórium JLab je prvým zariadením LINAC s rekuperáciou energie, ktoré produkuje ultratenké svetlo. Cornellova univerzita sa teraz pokúša zostrojiť zariadenie na výrobu röntgenového žiarenia.

Schéma lasera na voľných elektrónoch

CODA

Keďže v rámci CEBAF prebiehajú súčasne tri komplementárne experimenty, rozhodlo sa, že tri systémy zberu údajov by mali byť čo najviac podobné, aby fyzici prechádzajúci z jedného experimentu do druhého našli známe prostredie. Na tento účel bola najatá skupina fyzikov špecialistov, ktorá vytvorila skupinu pre vývoj systému zberu údajov, aby vyvinula spoločný systém pre všetky tri haly. Výsledkom bol systém CODA, CEBAF Online Data Acquisition [1].

Popis

CODA je súbor softvérových nástrojov a odporúčaného hardvéru, ktorý pomáha vytvoriť systém zberu údajov pre experimenty v jadrovej fyzike. Pri experimentoch v jadrovej a časticovej fyzike sú stopy častíc digitalizované systémom zberu údajov, ale detektory sú schopné generovať veľký počet možných meraní alebo "dátových kanálov".

ADC, TDC a iná digitálna elektronika sú zvyčajne veľké dosky s obvodmi s konektormi na prednej hrane, ktoré poskytujú vstup a výstup pre digitálne signály, a konektorom na zadnej strane, ktorý sa pripája k základnej doske. Skupina dosiek je zapojená do šasi alebo "skrinky", ktorá poskytuje fyzickú podporu, napájanie a chladenie pre dosky a základnú dosku. Toto usporiadanie umožňuje, aby sa elektronika schopná digitalizovať mnoho stoviek kanálov zmestila do jedného šasi.

V systéme CODA obsahuje každé šasi dosku, ktorá je inteligentnou riadiacou jednotkou pre ostatné šasi. Táto doska, nazývaná ReadOut Controller (ROC), konfiguruje každú z digitalizačných dosiek pri prvom prijatí údajov, číta údaje z digitalizátorov a formátuje údaje na neskoršiu analýzu.