Jefferson Lab (TJNAF) – ameriški nacionalni pospeševalni laboratorij

Glavna raziskovalna naprava laboratorija je pospeševalnik CEBAF, ki ga sestavljajo vir in injektor polariziranih elektronov ter par 7/8 milje (1400 m) dolgih superprevodnih RF linearnih pospeševalnikov. Konca obeh linearnih pospeševalnikov sta med seboj povezana z dvema lokoma z magneti, ki elektronski žarek upogibajo v lok. Pot žarka je torej ovalna v obliki dirkalne steze. (Večina pospeševalnikov, kot sta CERN ali Fermilab, ima krožno pot s številnimi kratkimi komorami za pospeševanje elektronov, ki se širijo po krogu). Ko žarek elektronov opravi do pet zaporednih obhodov, se njegova energija poveča do največ 6 GeV. CEBAF je dejansko linearni pospeševalnik (LINAC), kot je SLAC v Stanfordu, ki je prepognjen na desetino svoje običajne dolžine. Deluje, kot da bi bil 7,8 milje dolg linearni pospeševalnik.

Zasnova CEBAF omogoča, da je elektronski snop zvezen in ne pulzirajoč, kar je značilno za obročaste pospeševalnike. (Snop je sicer strukturiran, vendar so impulzi veliko krajši in bližje drug drugemu.) Elektronski žarek je usmerjen na tri možne tarče (glej spodaj). Ena od razlikovalnih značilnosti laboratorija JLab je neprekinjena narava elektronskega snopa z dolžino snopa manj kot 1 pikosekundo. Druga značilnost laboratorija JLab je uporaba superprevodne tehnologije RF (SRF), ki z uporabo tekočega helija ohladi niobij na približno 4 K (-452,5 °F), kar odpravi električni upor in omogoča najučinkovitejši prenos energije na elektron. JLab za to uporablja največji hladilnik s tekočim helijem na svetu in je bil eden prvih izvajalcev tehnologije SRF v velikem obsegu. Pospeševalnik je zgrajen 8 metrov ali približno 25 čevljev pod zemeljsko površino, stene predorov pospeševalnika pa so debele 2 čevlja.

Žarek se konča v treh eksperimentalnih dvoranah, imenovanih dvorana A, dvorana B in dvorana C. V vsaki dvorani je poseben spektrometer, ki beleži rezultate trkov med elektronskim žarkom in nepremično tarčo. To fizikom omogoča preučevanje strukture atomskega jedra, zlasti interakcije kvarkov, ki sestavljajo protone in nevtrone jedra.

Obnašanje delcev

Žarek gre vsakič okoli zanke skozi oba pospeševalnika LINAC, vendar skozi drug sklop upogibnih magnetov. (Vsak sklop je zasnovan za različno hitrost žarka.) Elektroni opravijo do pet prehodov skozi pospeševalnika LINAC.

Dogodek trčenja

Ko elektron iz žarka zadene jedro v tarči, pride do "interakcije" ali "dogodka", pri čemer se delci razpršijo v dvorano. Vsaka dvorana vsebuje niz detektorjev delcev, ki sledijo fizikalnim lastnostim delcev, nastalih pri dogodku. Detektorji ustvarjajo električne impulze, ki jih analogno-digitalni pretvorniki (ADC), časovno-digitalni pretvorniki (TDC) in števci impulzov (skale) pretvorijo v digitalne vrednosti.

Te digitalne podatke je treba zbrati in shraniti, da lahko fizik pozneje analizira podatke in rekonstruira dogajanje v fiziki. Sistem elektronike in računalnikov, ki opravlja to nalogo, se imenuje sistem za zajem podatkov.

Nadgradnja na 12 GeV

Junija 2010 se je začela gradnja dodatne končne postaje, dvorane D, na nasprotnem koncu pospeševalnika od ostalih treh dvoran, ter nadgradnja, ki podvoji energijo snopa na 12 GeV. Hkrati se gradi dodatek k testnemu laboratoriju (kjer se izdelujejo votline SRF, ki se uporabljajo v pospeševalniku CEBAF in drugih pospeševalnikih, ki se uporabljajo po vsem svetu).

V laboratoriju JLab je nameščen najmočnejši nastavljivi laser na proste elektrone na svetu z močjo več kot 14 kilovatov. Ameriška mornarica financira te raziskave za razvoj laserja, ki bi lahko sestrelil rakete. Ker se v laboratoriju izvajajo tajne vojaške raziskave, je zaprt za javnost, razen na dan odprtih vrat, ki ga organizirajo enkrat na dve leti.

Laser na proste elektrone v laboratoriju JLab uporablja napravo LINAC za vračanje energije. Elektroni se vbrizgajo v linearni pospeševalnik. Hitro gibajoči se elektroni nato prehajajo skozi wiggler, ki proizvaja svetel laserski snop svetlobe. Elektroni se nato ujamejo in usmerijo nazaj na vbrizgalni konec naprave LINAC, kjer prenesejo večino svoje energije na novo serijo elektronov in ponovijo postopek. S ponovno uporabo elektronov in večine njihove energije potrebuje laser na proste elektrone za svoje delovanje manj električne energije. Laboratorij JLab je prvi laboratorij LINAC z vračanjem energije, ki proizvaja ultravijolično svetlobo. Univerza Cornell ga zdaj poskuša zgraditi za proizvodnjo rentgenskih žarkov.

Ker v CEBAF-u hkrati potekajo trije dopolnjujoči se eksperimenti, je bilo odločeno, da morajo biti trije sistemi za zajem podatkov čim bolj podobni, tako da bodo fiziki, ki prehajajo iz enega eksperimenta v drugega, našli znano okolje. V ta namen je bila najeta skupina specializiranih fizikov, ki je oblikovala razvojno skupino za zajem podatkov, da bi razvila skupni sistem za vse tri dvorane. Rezultat je bil CODA, spletni sistem za zbiranje podatkov CEBAF [1].

Opis

CODA je sklop programskih orodij in priporočene strojne opreme, ki pomaga zgraditi sistem za zajem podatkov za poskuse v jedrski fiziki. Pri poskusih v jedrski fiziki in fiziki delcev sledi delcev digitalizira sistem za zajem podatkov, detektorji pa lahko ustvarijo veliko število možnih meritev ali "podatkovnih kanalov".

ADC, TDC in druga digitalna elektronika so običajno velika vezja s priključki na sprednjem robu, ki zagotavljajo vhod in izhod za digitalne signale, ter priključkom na zadnji strani, ki se priključi na osnovno ploščo. Skupina plošč je priključena na ohišje ali "ohišje", ki zagotavlja fizično podporo, napajanje in hlajenje za plošče in osnovno ploščo. Takšna ureditev omogoča, da se elektronika, ki lahko digitalizira več sto kanalov, lahko namesti v eno samo ohišje.

V sistemu CODA ima vsako ohišje ploščo, ki je inteligentni krmilnik za preostala ohišja. Ta plošča, imenovana ReadOut Controller (ROC), ob prvem prejemu podatkov konfigurira vsako digitalno ploščo, prebere podatke iz digitalizatorjev in jih oblikuje za poznejšo analizo.