Thomas Jeffersoni kiirenduskeskus (JLab) — CEBAF elektronkiirendi, Newport News
Thomas Jeffersoni kiirenduskeskus (JLab) — CEBAF elektronkiirendi Newport Newsis, Virginia: rahvusvahelised tuumauuringud, 12 GeV uuendus, üle 2000 teadlase.
Koordinaadid: 37°05′41″N 76°28′54″W / 37.09472°N 76.48167°W / 37.09472; -76.48167
Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), mida tavaliselt kutsutakse Jeffersoni laboriks või JLabiks, on USA riiklik tuumafüüsika uuringutega tegelev labor Newport Newsis, Virginia osariigis. Labor asub mugavalt Interstate 64 väljapääsu 256 lähedal. Alates 1. juunist 2006 haldab JLab-i Jefferson Science Associates, LLC — SURA (Southeastern Universities Research Association, Inc.) ja CSC Applied Technologies, LLC ühine ettevõte.
JLab-i süda on CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility), mis on recirkuleeruv, pideva laine (continuous-wave) elektronkiirendi, algselt kavandatud kuni 6 GeV tööenergia andmiseks. CEBAF koosneb kahest kriosünkroonilisest lineaarnohvist (linac), mida ühendavad mitu tagasikeerutuse kaarte ja mis võimaldavad elektronitele korduvalt lisakiirendust anda. Labori infrastruktuuri ja eksperimentaalseid rajatisi täiustati ulatuslikult 12 GeV programmi raames, mis lisas kiirendusse täiendavaid krüomooduleid, võimsamaid magneteid ja täiustatud toiteallikaid ning uue eksperimentaalsaali.
Teaduslik profiil ja eksperimentaalsaalid
JLab-i peamine teaduslik eesmärk on uurida tuumamaterjali põhistruktuuri — kuidas kvargid ja gluonid moodustavad nukleone ja tuumasid ning kuidas tugev interaktsioon neid hoiab. Labori töö hõlmab nii tuumafüüsikat, osakestefüüsika piirkatsetusi (näiteks Standardmudeli testid) kui ka kiirenditehnoloogiate arendust ja rakendusi.
- Hall A — kõrge eraldusvõimega spektromeetrid täpsete mõõtmiste jaoks.
- Hall B — varustatud CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) tüüpi seadmete ja komplektiga, mis võimaldab uurida lõpmatuses olevaid lagunemisi ja reaktsioone laias kineetikaulatuses.
- Hall C — keskendub täpsetele mõõtmistele ja elektro- ning fotoproduktsioonikatsetele.
- Hall D — ehitati 12 GeV programmi raames ja on mõeldud peamiselt GlueX eksperimendile, mis otsib hübriidseid ja eksotilisi hadroone ning uurib objektide võrgustumist kvark-gluoni tasandil.
Ajalugu, personali ja kasutajate kogukond
1984. aastal asutatud JLab annab tööd üle 600 inimesele ning on rahvusvahelise kasutajaskonnaga — üle 2000 teadlase ja tudengi üle maailma on laboris teinud või teevad katseid. Labori missioon sisaldab nii tipptasemel teadusrajatiste haldamist ja arendamist kui ka koostööd tööstuse ja ülikoolidega ning avalikkuse ja koolide haridustegevusi. JLab pakub regulaarseid ekskursioone, avalikke loenguid ja haridusprogramme keskkooli- ja ülikoolitasemel.
12 GeV uuendusprogramm
CEBAF-i 12 GeV uuendus (12 GeV Upgrade) oli mitmeastmeline projekt, mille eesmärk oli tõsta kiirendi tööenergiat ligikaudu 6 GeV-lt kuni 12 GeV-ni ning laiendada eksperimentaalvõimsust. Uuenduse käigus paigaldati uusi krüomooduleid, täiustatud RF-toite, kõrge võimsusega magneteid ja ehitati uus Hall D. See võimaldas läbi viia varem kättesaamatuid uuringuid, näiteks eksotiliste hadroonide otsingut ning detaliseeritud uuringuid nukleoni sisemise struktuuri kohta.
Tehnoloogia, rakendused ja koostöö
Lisaks baasteadusele tegeleb JLab ka kiirenditehnoloogia arendamise, krüotehnika, magnetdisainide ja sensorite väljatöötamisega, mis leiavad rakendusi nii meditsiinis, tööstuses kui ka muudes teadusharudes. Labor teeb tihedat koostööd riiklike ja rahvusvaheliste ülikoolide, teadusasutuste ning ettevõtetega ning osaleb projektides, mis viivad edasi nii teaduslikku teadmistepagasit kui ka tehnoloogilisi lahendusi.
Avalikkuse teadlikkus ja haridus
JLab rõhutab avalikkuse kaasamist: regulaarsed ekskursioonid, avalikud loengud, töötoad ja haridusprogrammid on mõeldud nii põhikooli kui ka ülikoolitaseme õppijatele. Labor panustab teaduse populariseerimisse, et tutvustada tuumafüüsika tähtsust ja karjäärivõimalusi teaduses ja inseneriteadustes.
Lisainfo: JLab-i ametlikud teated, avalikud aruanded ja kasutajainfo on parim allikas konkreetsete eksperimentide, tööaja ja külastusvõimaluste kohta. Labori haldus, tehnilised üksikasjad ja teadusprogrammid võivad ajas muutuda vastavalt riiklikele rahastamisotsustele ja teadusprioriteetidele.
Jeffersoni labori õhuvaade.
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.
Küsimused ja vastused
K: Mis on USA riikliku laboratooriumi nimi Newport Newsis, Virginias?
V: USA riikliku laboratooriumi nimi Newport Newsis, Virginia osariigis on Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), mida tavaliselt nimetatakse Jeffersoni laboriks või JLabiks.
K: Kes haldab TJNAFi?
V: TJNAFi haldab Jefferson Science Associates, LLC, mis on Southeastern Universities Research Association, Inc. ja CSC Applied Technologies, LLC ühisettevõte.
K: Mitu inimest töötab JLabis?
V: JLabis töötab üle 675 inimese.
K: Mitu teadlast on rajatist kasutanud teadusuuringuid?
V: Üle 2000 teadlase kogu maailmast on teinud siin teadusuuringuid.
K: Mis on TJNAFi ülesanne?
V: TJNAFi missioon on "pakkuda esmatähtsaid teadusrajatisi, võimalusi ja juhtimist, mis on olulised tuumamaterjali põhistruktuuri avastamiseks; teha koostööd tööstusega, et rakendada selle arenenud tehnoloogiat; ning teenida riiki ja selle kogukondi hariduse ja avalikkuse teavitamise kaudu".
K: Milliseid uuendusi tehakse, et suurendada energiat 6 GeV-lt 12 GeV-le?
V: Energia suurendamiseks 6 GeV-lt 12 GeV-le lisatakse kiirendisse võimsamaid magneteid ja toiteallikaid ning lisatakse uus eksperimentaalsaal.
K: Millal algab pärast ehituse lõpetamist täielik töö?
V: Täielik töö algab 2015. aastal pärast seda, kui ehitus on 2013. aastaks lõpetatud.
Otsige