Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Kiirendi

Laboratooriumi peamine uurimisseade on CEBAFi kiirendi, mis koosneb polariseeritud elektronide allikast ja injektorist ning paarist 1400 m pikkusest ülijuhtivast RF lineaarkiirendist. Kahe lineaarkiirendi otsad on omavahel ühendatud kahe kaarlõikega, mille magnetid painutavad elektronkiirgust kaarega. Seega on kiirteekiirte tee ovaalse kujuga. (Enamikul kiirenditest, näiteks CERNis või Fermilabis, on ringikujuline rada, millel on palju lühikesi kambreid, et kiirendada mööda ringi laiali levivaid elektrone). Kui elektronikiirgus teeb kuni viis järjestikust tiiru, suureneb selle energia kuni maksimaalselt 6 GeV-ni. Tegelikult on CEBAF lineaarne kiirendi (LINAC), nagu SLAC Stanfordis, mis on kokku volditud kümnendikuni oma tavalisest pikkusest. See toimib nagu 7,8 miili pikkune lineaarkiirendi.

CEBAFi konstruktsioon võimaldab elektronkiirte pidevat kiirgust, mitte rõngakujulisele kiirendile iseloomulikku impulsskiirt. (Kiirguskiirte struktuur on küll olemas, kuid impulsid on palju lühemad ja tihedamalt üksteise järel.) Elektronikiirgus on suunatud kolmele võimalikule sihtmärgile (vt allpool). Üks JLabi eripärasid on elektronkiire pidevus, mille kimpude pikkus on alla 1 pikosekundi. Teine omadus on JLabis kasutatav ülijuhtiv RF (SRF) tehnoloogia, mis kasutab vedelat heeliumi nioobiumi jahutamiseks umbes 4 K (-452,5 °F), kõrvaldades elektrilise takistuse ja võimaldades kõige tõhusamat energia ülekandmist elektronile. Selle saavutamiseks kasutab JLab maailma suurimat vedela heeliumi jahutusseadet ja oli üks esimesi SRF-tehnoloogia suuremahulisi rakendajaid. Kiirendi on ehitatud 8 meetri ehk umbes 25 jala sügavusele maapinnast ja kiirenditunnelite seinad on 2 jala paksused.

Kiir jõuab kolme eksperimentaalsaali, mida nimetatakse saaliks A, saaliks B ja saaliks C. Igas saalis on unikaalne spektromeeter, mis salvestab elektronkiire ja statsionaarse sihtmärgi kokkupõrgete tulemusi. See võimaldab füüsikutel uurida aatomituuma struktuuri, täpsemalt tuuma prootonid ja neutronid moodustavate kvarkide vastastikmõju.

Osakeste käitumine

Iga kord, kui kiirgusahela ümberringi liigub, läbib kiirgurikiirendi mõlemat LINAC-kiirendit, kuid läbi erineva paindemagnetite komplekti. (Iga komplekt on kavandatud erineva kiirusega kiirte käitlemiseks.) Elektronid läbivad LINAC-kiirendeid kuni viis korda.

Kokkupõrke sündmus

Kui sihtmärgi tuuma tabab kiirest tulev elektron, tekib "vastastikmõju" ehk "sündmus", mis hajutab osakesi saali. Igas saalis on osakeste detektorid, mis jälgivad sündmuse käigus tekkivate osakeste füüsikalisi omadusi. Detektorid tekitavad elektrilisi impulsse, mis teisendatakse digitaalväärtusteks analoog-digitaalmuundurite (ADC), aeg-digitaalmuundurite (TDC) ja impulsside loendurite (skaleerijate) abil.

Need digitaalsed andmed tuleb koguda ja salvestada, et füüsik saaks hiljem andmeid analüüsida ja rekonstrueerida toimunud füüsikat. Elektroonika ja arvutite süsteemi, mis seda ülesannet täidab, nimetatakse andmekogumissüsteemiks.

12 GeV uuendamine

Alates 2010. aasta juunist on alustatud täiendava lõppjaama, saali D ehitamist, mis asub kiirendi kolme ülejäänud saali vastasküljel, ning täiendamist, mis kahekordistab kiirguse energiat 12 GeV-ni. Samal ajal ehitatakse katselabori (kus valmistatakse CEBAFis ja muudes ülemaailmselt kasutatavates kiirendites kasutatavaid SRF-kõvakehasid) juurdeehitust.

12GeV uuendamine, mis on praegu ehitamisel.

Vabaelektronlaser

JLabis asub maailma võimsaim häälestatav vabaelektronlaser, mille võimsus on üle 14 kilovati. Ameerika Ühendriikide merevägi rahastab seda teadustööd, et arendada välja laser, millega saaks rakette alla tulistada. Kuna laboris tehakse salastatud sõjalisi teadusuuringuid, on see üldsusele suletud, välja arvatud kord kahe aasta jooksul toimuv avatud uste päev.

JLabi vabaelektronilaser kasutab energia taastamise LINACi. Elektronid süstitakse lineaarkiirendisse. Seejärel läbivad kiirelt liikuvad elektronid vingerpussi, mis tekitab ereda laserkiirguse. Seejärel püütakse elektronid kinni ja suunatakse tagasi LINACi süstimise otsa, kus nad annavad suurema osa oma energiast üle uuele partiile elektronidele, et protsessi korrata. Kuna elektronid ja suurem osa nende energiast kasutatakse uuesti, vajab vabade elektronide laser vähem elektrienergiat. JLab on esimene energia taaskasutamise LINAC, mis toodab üliväikest valgust. Cornelli ülikool püüab nüüd ehitada sellist seadet röntgenkiirguse tootmiseks.

Vabaelektronlaseri skemaatiline skeem

CODA

Kuna CEBAFis töötab samaaegselt kolm teineteist täiendavat eksperimenti, otsustati, et kolm andmekogumissüsteemi peaksid olema võimalikult sarnased, et füüsikud leiaksid ühelt eksperimendilt teisele liikudes tuttava keskkonna. Selleks palgati rühm spetsialiseerunud füüsikuid, kes moodustasid andmete kogumise arendusrühma, et töötada välja ühine süsteem kõigi kolme saali jaoks. Tulemuseks oli CODA, CEBAFi veebipõhine andmekogumissüsteem [1].

Kirjeldus

CODA on tarkvaravahendite ja soovitatud riistvara kogum, mis aitab luua andmete kogumise süsteemi tuumafüüsikaeksperimentide jaoks. Tuuma- ja osakestefüüsika eksperimentides digitaliseeritakse osakeste jäljed andmekogumissüsteemi abil, kuid detektorid on võimelised tekitama suure hulga võimalikke mõõtmisi ehk "andmekanaleid".

ADC, TDC ja muu digitaalne elektroonika on tavaliselt suured trükkplaadid, mille esiservas on pistikud, mis pakuvad digitaalsignaalide sisendit ja väljundit, ning tagaküljel on pistik, mis ühendatakse tagaplaadiga. Plaatide rühm on ühendatud šassiisse või "kasti", mis pakub füüsilist tuge, toite ja jahutust plaatidele ja taustaplaadile. Selline paigutus võimaldab elektroonika, mis suudab digiteerida sadu kanaleid, mahub ühte korpusesse.

CODA süsteemis sisaldab iga šassii plaati, mis on ülejäänud šassiide intelligentne kontroller. See tahvel, mida nimetatakse ReadOut Controller (ROC), konfigureerib iga digiteerimisplaadi andmete esmakordsel vastuvõtmisel, loeb andmed digiteerijatelt ja vormindab andmed hilisemaks analüüsiks.