Acceleratorul Național Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Accelerator

Principala instalație de cercetare a laboratorului este acceleratorul CEBAF, care constă într-o sursă și un injector de electroni polarizați și o pereche de acceleratoare liniare RF supraconductoare cu o lungime de 1.400 de metri (7/8 mile). Capetele celor două acceleratoare liniare sunt conectate între ele prin două secțiuni de arc cu magneți care îndoaie fasciculul de electroni într-un arc. Astfel, traseul fasciculului este un oval în formă de pistă de curse. (Majoritatea acceleratoarelor, cum ar fi CERN sau Fermilab, au un traseu circular cu multe camere scurte pentru a accelera electronii răspândiți de-a lungul cercului). Pe măsură ce fasciculul de electroni parcurge până la cinci orbite succesive, energia sa crește până la un maxim de 6 GeV. Practic, CEBAF este un accelerator liniar (LINAC), precum SLAC de la Stanford, care a fost pliat până la o zecime din lungimea sa normală. Se comportă ca și cum ar fi un accelerator liniar cu o lungime de 7,8 mile.

Proiectarea CEBAF permite ca fasciculul de electroni să fie continuu, mai degrabă decât fascicululul pulsat tipic acceleratoarelor în formă de inel. (Există o anumită structură a fasciculului, dar impulsurile sunt mult mai scurte și mai apropiate). Fasciculul de electroni este direcționat către trei ținte potențiale (a se vedea mai jos). Una dintre caracteristicile distinctive ale JLab este natura continuă a fasciculului de electroni, cu o lungime a fasciculului de mai puțin de 1 picosecundă. O altă caracteristică este utilizarea de către JLab a tehnologiei RF supraconductoare (SRF), care utilizează heliu lichid pentru a răci niobiul la aproximativ 4 K (-452,5°F), eliminând rezistența electrică și permițând cel mai eficient transfer de energie către un electron. Pentru a realiza acest lucru, JLab utilizează cel mai mare frigider cu heliu lichid din lume și a fost unul dintre primii implementatori la scară largă ai tehnologiei SRF. Acceleratorul este construit la 8 metri, sau aproximativ 25 de picioare, sub suprafața Pământului, iar pereții tunelurilor acceleratorului au o grosime de 2 picioare.

Fasciculul se termină în trei săli experimentale, numite Sala A, Sala B și Sala C. Fiecare sală conține un spectrometru unic pentru a înregistra rezultatele coliziunilor dintre fasciculul de electroni și o țintă staționară. Acest lucru le permite fizicienilor să studieze structura nucleului atomic, în special interacțiunea quarcilor care alcătuiesc protonii și neutronii nucleului.

Comportamentul particulelor

De fiecare dată în jurul buclei, fasciculul trece prin fiecare dintre cele două acceleratoare LINAC, dar printr-un set diferit de magneți de îndoire. (Fiecare set este conceput pentru a gestiona o viteză diferită a fasciculului.) Electronii fac până la cinci treceri prin acceleratoarele LINAC.

Eveniment de coliziune

Atunci când un nucleu din țintă este lovit de un electron din fascicul, are loc o "interacțiune" sau un "eveniment" care împrăștie particule în sală. Fiecare sală conține o serie de detectoare de particule care urmăresc proprietățile fizice ale particulelor produse de eveniment. Detectoarele generează impulsuri electrice care sunt convertite în valori digitale de către convertoare analogice-digitale (ADC), convertoare timp-digitale (TDC) și numărătoare de impulsuri (scalatoare).

Aceste date digitale trebuie să fie colectate și stocate pentru ca fizicianul să le poată analiza ulterior și să poată reconstrui fizica care a avut loc. Sistemul de electronice și calculatoare care îndeplinește această sarcină se numește sistem de achiziție de date.

Actualizare la 12 GeV

Începând cu iunie 2010, a început construcția unei stații finale suplimentare, Sala D, situată la capătul opus al acceleratorului față de celelalte trei săli, precum și o modernizare care dublează energia fasciculului la 12 GeV. Concomitent, se construiește o anexă la laboratorul de testare (unde sunt fabricate cavitățile SRF utilizate în CEBAF și în alte acceleratoare folosite în întreaga lume).

modernizarea la 12GeV, în prezent în construcție.

Laser cu electroni liberi

JLab găzduiește cel mai puternic laser cu electroni liberi acordabil din lume, cu o putere de peste 14 kilowați. Marina Statelor Unite finanțează aceste cercetări pentru a dezvolta un laser care ar putea doborî rachete. Deoarece laboratorul face cercetări militare clasificate, este închis publicului, cu excepția unei case deschise care are loc o dată la doi ani.

Laserul cu electroni liberi din JLab utilizează un LINAC cu recuperare de energie. Electronii sunt injectați într-un accelerator liniar. Electronii care se mișcă rapid trec apoi printr-un wiggler care produce un fascicul luminos de lumină laser. Electronii sunt apoi capturați și direcționați înapoi la capătul de injecție al LINAC unde își transferă cea mai mare parte a energiei către un nou lot de electroni pentru a repeta procesul. Prin reutilizarea electronilor și a celei mai mari părți a energiei lor, laserul cu electroni liberi necesită mai puțină energie electrică pentru a funcționa. JLab este primul LINAC cu recuperare de energie care produce lumină ultra-violetă. Universitatea Cornell încearcă acum să construiască unul care să producă raze X.

Diagrama schematică a unui laser cu electroni liberi

CODA

Deoarece CEBAF are trei experimente complementare care se desfășoară simultan, s-a decis ca cele trei sisteme de achiziție de date să fie cât mai asemănătoare, astfel încât fizicienii care trec de la un experiment la altul să găsească un mediu familiar. În acest scop, un grup de fizicieni specialiști a fost angajat pentru a forma un grup de dezvoltare a achiziției de date pentru a dezvolta un sistem comun pentru toate cele trei hale. CODA, sistemul de achiziție de date online al CEBAF, a fost rezultatul [1]

Descriere

CODA este un set de instrumente software și hardware recomandat care ajută la crearea unui sistem de achiziție de date pentru experimentele de fizică nucleară. În experimentele de fizică nucleară și de fizică a particulelor, urmele de particule sunt digitizate de sistemul de achiziție de date, dar detectoarele sunt capabile să genereze un număr mare de măsurători posibile, sau "canale de date".

ADC, TDC și alte componente electronice digitale sunt, de obicei, plăci de circuite mari, cu conectori la marginea frontală care asigură intrarea și ieșirea semnalelor digitale și un conector la spate care se conectează la o placă de bază. Un grup de plăci sunt conectate la un șasiu sau "cutie" care asigură suportul fizic, alimentarea și răcirea plăcilor și a plăcii de bază. Acest aranjament permite ca electronicele capabile să digitizeze mai multe sute de canale să încapă într-un singur șasiu.

În sistemul CODA, fiecare șasiu conține o placă care este un controler inteligent pentru restul șasiului. Această placă, numită "ReadOut Controller" (ROC), configurează fiecare dintre plăcile de digitizare la prima recepție a datelor, citește datele de la digitizoare și formatează datele pentru o analiză ulterioară.