Jefferson Lab (TJNAF) – ameriški nacionalni pospeševalni laboratorij
Koordinate: 37°05′41″N 76°28′54″W / 37.09472°N 76.48167°W / 37.09472; -76.48167
Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), pogosto imenovan Jefferson Lab ali JLab, je ameriški nacionalni laboratorij Ministrstva za energijo ZDA (DOE), specializiran za jedrsko in hadronsko fiziko. Nahaja se v mestu Newport News v Virginiji, v bližini izvoza 256 z avtoceste Interstate 64. Od 1. junija 2006 ga upravlja podjetje Jefferson Science Associates, LLC, skupno podjetje organizacij Southeastern Universities Research Association, Inc. (SURA) in CSC Applied Technologies, LLC. Do leta 1996 je bil laboratorij znan kot Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), kar je ime, ki se še danes uporablja za glavni pospeševalnik.
Zgodovina, poslanstvo in uporabniška skupnost
JLab je bil ustanovljen leta 1984 kot uporabniški raziskovalni laboratorij v okviru DOE Office of Science (program jedrske fizike). Zaposluje več kot 675 ljudi in gosti široko mednarodno skupnost raziskovalcev; v programih laboratorija je v preteklih desetletjih sodelovalo več kot 2.000 znanstvenikov z univerz in inštitutov z vsega sveta. Njegovo poslanstvo je zagotavljati vrhunske znanstvene zmogljivosti in vodilno vlogo pri raziskovanju temeljne strukture jedrske snovi, spodbujati prenos znanja in tehnologij v industrijo ter služiti državi in skupnostim prek izobraževanja in sodelovanja z javnostjo.
Pospeševalnik CEBAF in ključna tehnologija
Srce laboratorija je CEBAF, nadprevodniški (superprevodni) linearni pospeševalnik elektronov s krožno povratno potjo (t. i. »racetrack«) in kontinuirnim elektronskim curkom. Pospeševalnik temelji na nadprevodniških RF-rezonatorjih iz niobija v kriomodulih, ki delujejo pri približno 2 K; hlajenje zagotavljajo velike kriogene enote s tekočim helijem. Elektronski snop je lahko močno polariziran, stabilen in zelo čist (majhen energijski razmaz), pri čemer je možno do pet zaporednih prehodov skozi dva linaka, kar omogoča natančno nastavljive energije in visoke tokove za meritve visoke ločljivosti.
Dvorane in raziskovalni program
Eksperimentalna infrastruktura obsega več podzemnih dvoran:
- Dvorana A: visokonatančne, pariteto-kršitvene in elastične sipalne meritve s spektrometri velike ločljivosti; razvoj novih naprav, kot so veliki magnetni spektrometri.
- Dvorana B: večnamenski detektorji za širokokotne meritve v globoko neelastičnem sipanju; v obdobju po nadgradnji 12 GeV je osrednji program CLAS12 za raziskave tridimenzionalne strukture nukleonov (GPD/TMD) in ekscitacij hadronov.
- Dvorana C: natančna hadronska spektroskopija in elektromagnetna struktura nukleonov in jeder z zelo stabilnim curkom; platforma za eksperimente z novimi spektrometri visoke gibalne količine.
- Dvorana D (nova po nadgradnji): dom eksperimenta GlueX, osredotočenega na odkrivanje in študij t. i. eksotičnih mezonov ter na vlogo gluonov v vezanih stanjih kvarkov.
Programi vključujejo preučevanje kvarkovsko-gluonske strukture protona in nevtrona, jedrskih učinkov, testov fundamentalnih simetrij (pariteta v šibkih interakcijah) in iskanje redkih procesov. V preteklosti so v dvoranah potekali tudi prelomni eksperimenti, ki so natančno izmerili velikosti in porazdelitve naboja v nukleonih ter omejitve na nove sile onkraj standardnega modela.
Nadgradnja na 12 GeV in trenutno stanje
Laboratorij je izvedel obsežno nadgradnjo CEBAF, s katero se je nazivna energija snopa povečala s 6 GeV na 12 GeV. Nadgradnja je vključevala močnejše magneti in napajalnike, nove kriomodule, razširjene kriogene kapacitete ter izgradnjo nove eksperimentalne dvorane D. Gradnja in vgradnja opreme sta potekali v začetku 2010-ih, dvorana D je začela z zagonskimi žarki leta 2015, polno delovanje CEBAF pri 12 GeV pa se je postopno vzpostavilo po koncu projekta v drugi polovici desetletja. Danes CEBAF rutinsko dobavlja kontinuirne, visoko polarizirane elektronske snope do ~12 GeV (odvisno od razdelitve med dvoranami) za sočasne eksperimente v več dvoranah.
Infrastruktura, računalništvo in prenos tehnologij
- Kriogenika in SRF: obrat za utekočinjeni helij in SRF-center podpirata CEBAF in prispevata k razvoju nadprevodniških pospeševalnikov po svetu.
- Merilni sistemi in detektorji: laboratorij razvija napredne spektrometre, kalorimetre, sledilne detektorje in polarimetre, potrebne za natančne meritve.
- Računske zmogljivosti: za analizo velikih količin podatkov in teoretične izračune (npr. LQCD) laboratorij vzdržuje visoko zmogljivo računalniško infrastrukturo in sodeluje z univerzami.
- Industrijsko sodelovanje: rešitve s področij SRF, kontrole snopov, elektronike in kriogenike se prenašajo v industrijske in medicinske aplikacije ter v druge raziskovalne infrastrukture.
Izobraževanje in delo z javnostjo
JLab izvaja obsežen izobraževalni program: od tekmovanj in šolskih obiskov do delavnic za učitelje STEM. Redni dnevi odprtih vrat in javna predavanja približujejo jedrsko fiziko in tehnologijo pospeševalnikov širši skupnosti, kar podpira poslanstvo laboratorija o služenju javnosti.
Vloga JLab ostaja osrednja za jedrsko fiziko v ZDA: kot odprt uporabniški center ponuja stabilne, visoko natančne elektronske snope in specializirano infrastrukturo, ki raziskovalcem omogočata razkrivanje fine strukture snovi na kvarkovsko-gluonski ravni ter preizkušanje meja standardnega modela.
Pogled na Jeffersonov laboratorij iz zraka.
Pospeševalnik
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).
Nadgradnja 12GeV, ki je trenutno v gradnji.
Laser na proste elektrone
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.
Shematski prikaz laserja na proste elektrone
CODA
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.
Vprašanja in odgovori
V: Kako se imenuje ameriški nacionalni laboratorij v Newport News v Virginiji?
O: Ameriški nacionalni laboratorij v Newport News v Virginiji se imenuje Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), pogosto imenovan Jefferson Lab ali JLab.
V: Kdo upravlja TJNAF?
O: S TJNAF upravlja Jefferson Science Associates, LLC, skupno podjetje med Southeastern Universities Research Association, Inc., in CSC Applied Technologies, LLC.
V: Koliko ljudi zaposluje JLab?
O: JLab zaposluje več kot 675 ljudi.
V: Koliko znanstvenikov je opravljalo raziskave v tej ustanovi?
O: Več kot 2 000 znanstvenikov z vsega sveta je opravilo raziskave v tej ustanovi.
V: Kakšno je poslanstvo TJNAF?
O: Poslanstvo TJNAF je "zagotoviti vrhunske znanstvene zmogljivosti, priložnosti in vodstvo, ki so bistveni za odkrivanje temeljne strukture jedrske snovi; sodelovati z industrijo pri uporabi njene napredne tehnologije ter služiti državi in njenim skupnostim z izobraževanjem in ozaveščanjem javnosti".
V: Katere posodobitve so bile izvedene za povečanje energije s 6 GeV na 12 GeV?
O: Za povečanje energije s 6 GeV na 12 GeV so pospeševalniku dodani močnejši magneti in napajalniki, dodana pa bo tudi nova eksperimentalna dvorana.
V: Kdaj se bo po končani gradnji začelo polno obratovanje?
O: Polno obratovanje se bo začelo leta 2015, ko bo gradnja končana do leta 2013.
