Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Akcelerátor

Hlavním výzkumným zařízením laboratoře je urychlovač CEBAF, který se skládá ze zdroje a injektoru polarizovaných elektronů a dvojice supravodivých lineárních urychlovačů RF o délce 7/8 míle (1400 m). Konce obou lineárních urychlovačů jsou vzájemně propojeny dvěma obloukovými úseky s magnety, které ohýbají svazek elektronů do oblouku. Dráha paprsku má tedy tvar oválu závodní dráhy. (Většina urychlovačů, jako je CERN nebo Fermilab, má kruhovou dráhu s mnoha krátkými komorami, které urychlují elektrony rozprostřené po kružnici). Když svazek elektronů vykoná až pět po sobě jdoucích oběhů, jeho energie se zvyšuje až na maximální hodnotu 6 GeV. CEBAF je vlastně lineární urychlovač (LINAC), podobně jako SLAC ve Stanfordu, který byl složen na desetinu své normální délky. Chová se, jako by to byl lineární urychlovač o délce 7,8 míle.

Konstrukce urychlovače CEBAF umožňuje, aby svazek elektronů byl kontinuální, nikoliv pulzní, jak je to typické pro prstencové urychlovače. (Svazek má určitou strukturu, ale pulzy jsou mnohem kratší a blíže u sebe.) Elektronový svazek je zaměřen na tři potenciální cíle (viz níže). Jedním z charakteristických rysů laboratoře JLab je spojitý charakter elektronového svazku s délkou svazku menší než 1 pikosekunda. Dalším důvodem je použití supravodivé technologie JLab RF (SRF), která využívá kapalné helium k ochlazení niobu na teplotu přibližně 4 K (-452,5 °F), čímž se odstraní elektrický odpor a umožní co nejefektivnější přenos energie na elektron. K dosažení tohoto cíle využívá laboratoř JLab největší chladič kapalného helia na světě a byla jedním z prvních velkých implementátorů technologie SRF. Urychlovač je postaven 8 metrů, tedy přibližně 25 stop, pod povrchem Země a stěny urychlovacích tunelů jsou silné 2 stopy.

Svazek končí ve třech experimentálních halách, nazývaných hala A, hala B a hala C. Každá hala obsahuje unikátní spektrometr, který zaznamenává výsledky srážek mezi svazkem elektronů a stacionárním terčem. To umožňuje fyzikům studovat strukturu atomového jádra, konkrétně interakci kvarků, které tvoří protony a neutrony jádra.

Chování částic

Při každém oběhu smyčky prochází paprsek každým ze dvou urychlovačů LINAC, ale přes jinou sadu ohýbacích magnetů. (Každá sada je navržena tak, aby zvládla jinou rychlost svazku.) Elektrony projdou urychlovači LINAC až pětkrát.

Kolizní událost

Když jádro v terči zasáhne elektron ze svazku, dojde k "interakci" nebo "události", při níž se částice rozptýlí do sálu. Každý sál obsahuje soustavu detektorů částic, které sledují fyzikální vlastnosti částic vzniklých při události. Detektory generují elektrické impulsy, které jsou převáděny na digitální hodnoty pomocí analogově-digitálních převodníků (ADC), časově-digitálních převodníků (TDC) a čítačů impulzů (scalers).

Tato digitální data musí být shromážděna a uložena tak, aby je fyzik mohl později analyzovat a rekonstruovat fyzikální děje, ke kterým došlo. Systém elektroniky a počítačů, který tento úkol plní, se nazývá systém sběru dat.

Upgrade na 12 GeV

V červnu 2010 byla zahájena výstavba další koncové stanice, haly D, na opačném konci urychlovače než ostatní tři haly, a také modernizace, která zdvojnásobí energii svazku na 12 GeV. Současně se staví přístavba zkušební laboratoře (kde se vyrábějí dutiny SRF používané v urychlovači CEBAF a dalších urychlovačích používaných po celém světě).

12GeV upgrade, který je v současné době ve výstavbě.

Laser na volných elektronech

V laboratoři JLab se nachází nejvýkonnější laditelný laser na volných elektronech na světě s výkonem přes 14 kilowattů. Námořnictvo Spojených států financuje tento výzkum s cílem vyvinout laser, který by mohl sestřelovat rakety. Protože laboratoř provádí utajovaný vojenský výzkum, je veřejnosti nepřístupná s výjimkou dne otevřených dveří, který se koná jednou za dva roky.

Laser na volných elektronech v laboratoři JLab využívá zařízení LINAC pro zpětné získávání energie. Elektrony jsou vstřikovány do lineárního urychlovače. Rychle se pohybující elektrony pak procházejí wigglerem, který vytváří jasný laserový světelný paprsek. Poté jsou elektrony zachyceny a nasměrovány zpět na injekční konec LINAC, kde předají většinu své energie nové dávce elektronů a proces se opakuje. Díky opětovnému využití elektronů a většiny jejich energie potřebuje laser na volných elektronech ke svému provozu méně elektrické energie. Laboratoř JLab je prvním zařízením LINAC s rekuperací energie, které produkuje ultratenké světlo. Cornellova univerzita se nyní pokouší sestrojit zařízení na výrobu rentgenového záření.

Schéma laseru na volných elektronech

CODA

Vzhledem k tomu, že v rámci CEBAF probíhají současně tři doplňující se experimenty, bylo rozhodnuto, že všechny tři systémy sběru dat by si měly být co nejvíce podobné, aby fyzikové přecházející z jednoho experimentu do druhého našli známé prostředí. Za tímto účelem byla najata skupina specializovaných fyziků, která vytvořila skupinu pro vývoj systému sběru dat, aby vyvinula společný systém pro všechny tři haly. Výsledkem byl systém CODA, CEBAF Online Data Acquisition [1].

Popis

CODA je sada softwarových nástrojů a doporučeného hardwaru, která pomáhá vytvořit systém sběru dat pro experimenty v jaderné fyzice. V experimentech jaderné a částicové fyziky jsou stopy částic digitalizovány systémem sběru dat, ale detektory jsou schopny generovat velké množství možných měření neboli "datových kanálů".

ADC, TDC a další digitální elektronika jsou obvykle velké desky s obvody s konektory na předním okraji, které zajišťují vstup a výstup digitálních signálů, a konektorem na zadní straně, který se připojuje k základní desce. Skupina desek je zapojena do šasi neboli "bedny", která poskytuje fyzickou podporu, napájení a chlazení desek a základní desky. Toto uspořádání umožňuje, aby se elektronika schopná digitalizovat mnoho stovek kanálů vešla do jediného šasi.

V systému CODA obsahuje každé šasi desku, která je inteligentní řídicí jednotkou pro ostatní šasi. Tato deska, nazývaná ReadOut Controller (ROC), konfiguruje každou z digitalizačních desek při prvním příjmu dat, čte data z digitalizátorů a formátuje je pro pozdější analýzu.