Националната ускорителна инсталация Томас Джеферсън JLab — CEBAF
Координати: 37°05′41″ С. Ш. 76°28′54″ З. Д. / 37.09472° С. Ш. 76.48167° З. Д. / 37.09472; -76.48167
Националната ускорителна инсталация "Томас Джеферсън" (TJNAF, често наричана Jefferson Lab или JLab) е национална лаборатория на САЩ в Нюпорт Нюз, Вирджиния. Намира се в близост до изход 256 на междущатска магистрала 64. От 1 юни 2006 г. тя се управлява от Jefferson Science Associates, LLC, съвместно предприятие между Southeastern Universities Research Association, Inc. и CSC Applied Technologies, LLC. До 1996 г. обектът е известен като Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF); това име все още често се използва за главния ускорител.
Основана през 1984 г., в JLab работят около 675 души, а над 2000 учени от цял свят са провеждали изследвания в лабораторията. Мисията на институцията е да предоставя авангардни научни съоръжения, възможности и лидерство, които подпомагат откриването на фундаменталната структура на ядрената материя; да партнира с промишлеността за прилагане на напреднали технологии; и да служи на нацията и общностите чрез образование и обществено ангажиране.
Ускорител и експериментални зали
CEBAF е рециркулиращ линеен ускорител, базиран на технологията на свръхпроводящи радиочестотни (SRF) кавитети, който доставя непрекъснато (continuous-wave) електронно снопче с висока степен на поляризация и стабилни параметри. Архитектурата на ускорителя позволява многократни преминавания през линейните секции, което дава висока енергия при сравнително компактни размери и много добро качество на лъча.
Преди реконструкцията максималната енергия на CEBAF беше около 6 GeV; в рамките на програма за 12 GeV ъпгрейд към ускорителя бяха добавени по-мощни магнитни системи, нови SRF криомодули и модернизирани електронни и вакуумни системи. Реконструкцията включваше и изграждането на нова експериментална зала (Hall D). Процесът на модернизация бе реализиран през 2010-те години — монтажните и изпитвателни дейности протекоха през 2011–2016 г., а пълните научни операции при енергии до 12 GeV започнаха в средата на десетилетието на 2010-те (комисииране на новите секции и Hall D се осъществи преди 2017 г.).
Основните експериментални зали са:
- Hall A — оборудван с високорезолюционни спектрометри за прецизни измервания на електронно-ядрени взаимодействия и редки процеси;
- Hall B — дом на голямоприемния CLAS/CLAS12 детектор, предназначен за изучаване на многочастични финални състояния и изследване на триизмерната структура на нуклоните (GPD, TMD и др.);
- Hall C — с многофункционални високомоментни спектрометри за точни крос-секционни измервания и структурни изследвания;
- Hall D — създадена за програмата GlueX, фокусирана върху мезонната спектроскопия и търсенето на екзотични състояния, образувани при фотопроизведението.
Научни програми
Дейностите в JLab са съсредоточени върху ядрената и адронната физика: изучаване на структурата на протона и неутрона в термини на кварки и глуони, спектроскопия на хадрони, динамиката на силното взаимодействие (QCD) при умерени и високи енергии, а също и прецизни измервания чрез параитинични реакции. Сред важните направления са:
- измерване на разпределения на кварките и триизмерни образи на нуклоните (GPD и TMD);\li>
- спектроскопия на мезони и бариони, включително търсене на екзотични състояния (GlueX);
- прецизни изпитания на стандартния модел чрез параитинични електронни разсейвания (напр. експерименти за слаб заряд на протона);
- ядрена структура и few-body физика — интерпретация на ядрените сили в рамките на QCD.
Технологии, трансфер и образование
Технологиите, развивани в JLab — като SRF криомодули, системи за високовакуумно поддържане, детектори и електроника за данни — намират приложение и извън фундаменталната наука, включително в медицински ускорители и индустриални процеси. Лабораторията организира програми за обучение и обществено осведомяване: летни училища за студенти, програми за учители и посещения за обществеността, с цел популяризиране на природните науки и инженерството.
История и организация
Името на институцията отдава почит на третия президент на САЩ, Томас Джеферсън, в знак на уважение към приноса му за науката и образованието. От 2006 г. управлението е поверено на Jefferson Science Associates; финансовата и оперативна подкрепа идва предимно от Департамента по енергетика на САЩ (DOE). През годините лабораторията е приютявала голям международен научен контингент и е в центъра на множество сътрудничества между университети и национални лаборатории.
JLab продължава да бъде водещ център за експериментална ядрената физика, като комбинира високоинтензивни, поляризирани лъчи и модерни детекторни системи за решаване на фундаментални въпроси за структурата на материята.
Въздушен изглед на лабораторията "Джеферсън".
Ускорител
Основното изследователско съоръжение на лабораторията е ускорителят CEBAF, който се състои от източник и инжектор на поляризирани електрони и двойка свръхпроводящи линейни ускорители с дължина 7/8 мили (1400 м). Краищата на двата линейни ускорителя са свързани помежду си с две дъговидни секции с магнити, които огъват електронния сноп в дъга. Така че траекторията на лъча е овална с формата на състезателна писта. (Повечето ускорители, като например в ЦЕРН или Фермилаб, имат кръгов път с много къси камери за ускоряване на електроните, които се разпространяват по кръга). Тъй като електронният сноп прави до пет последователни обиколки, енергията му се увеличава до максимум 6 GeV. На практика CEBAF е линеен ускорител (LINAC), като SLAC в Станфорд, който е сгънат до една десета от нормалната си дължина. Той действа така, сякаш е линеен ускорител с дължина 7,8 мили.
Конструкцията на CEBAF позволява електронният сноп да бъде непрекъснат, а не импулсен, какъвто е характерен за пръстеновидните ускорители. (Съществува известна структура на лъча, но импулсите са много по-кратки и по-близки един до друг.) Електронният сноп се насочва към три потенциални мишени (вж. по-долу). Една от отличителните черти на JLab е непрекъснатият характер на електронния сноп, чиято дължина е по-малка от 1 пикосекунда. Друга причина е използването в JLab на свръхпроводима радиочестотна технология (SRF), която използва течен хелий за охлаждане на ниобий до приблизително 4 К (-452,5 °F), като премахва електрическото съпротивление и позволява най-ефективен пренос на енергия към електрона. За да постигне това, JLab използва най-големия в света хладилник с течен хелий и е един от първите мащабни внедрители на технологията SRF. Ускорителят е построен на 8 метра, или приблизително 25 фута, под повърхността на Земята, а стените на тунелите на ускорителя са дебели 2 фута.
Лъчът завършва в три експериментални зали, наречени зала А, зала Б и зала В. Всяка зала съдържа уникален спектрометър, който записва резултатите от сблъсъците между електронния лъч и неподвижна мишена. Това позволява на физиците да изучават структурата на атомното ядро, по-специално взаимодействието на кварките, които изграждат протоните и неутроните на ядрото.
Поведение на частиците
Всеки път, когато обикаля цикъла, лъчът преминава през всеки от двата ускорителя LINAC, но през различен набор от огъващи магнити. (Всеки комплект е проектиран да работи с различна скорост на лъча.) Електроните преминават до пет пъти през ускорителите LINAC.
Събитие на сблъсък
Когато ядро в мишената бъде ударено от електрон от снопа, възниква "взаимодействие" или "събитие", при което частиците се разпръскват в залата. Всяка зала съдържа масив от детектори на частици, които проследяват физическите свойства на частиците, получени при събитието. Детекторите генерират електрически импулси, които се преобразуват в цифрови стойности чрез аналогово-цифрови преобразуватели (АЦП), времево-цифрови преобразуватели (ВЦП) и броячи на импулси (скалери).
Тези цифрови данни трябва да бъдат събрани и съхранени, за да може по-късно физикът да ги анализира и да възстанови физиката, която се е случила. Системата от електроника и компютри, която изпълнява тази задача, се нарича система за събиране на данни.
Надграждане до 12 GeV
От юни 2010 г. започва изграждането на допълнителна крайна станция, зала D, в противоположния край на ускорителя от останалите три зали, както и модернизация, която удвоява енергията на снопа до 12 GeV. Едновременно с това се изгражда допълнение към лабораторията за тестване (където се произвеждат SRF кухините, използвани в CEBAF и други ускорители, използвани по света).
12GeV модернизация, която в момента е в процес на изграждане.
Лазер на свободни електрони
В лабораторията JLab се намира най-мощният в света лазерен модул със свободни електрони, чиято мощност е над 14 киловата. Военноморските сили на САЩ финансират тези изследвания за разработване на лазер, който може да сваля ракети. Тъй като лабораторията извършва секретни военни изследвания, тя е затворена за обществеността, с изключение на ден на отворените врати, който се провежда веднъж на две години.
Лазерът със свободни електрони на JLab използва LINAC за възстановяване на енергията. Електроните се инжектират в линеен ускорител. След това бързо движещите се електрони преминават през уиглър, който произвежда ярък лазерен светлинен лъч. След това електроните се улавят и се насочват обратно към инжекционния край на LINAC, където прехвърлят по-голямата част от енергията си към нова партида електрони, за да се повтори процесът. Чрез повторното използване на електроните и по-голямата част от тяхната енергия лазерът със свободни електрони се нуждае от по-малко електроенергия за работа. JLab е първият LINAC за възстановяване на енергия, който произвежда ултравиолетова светлина. Университетът "Корнел" сега се опитва да създаде такъв за производство на рентгенови лъчи.
Схема на лазер със свободни електрони
CODA
Тъй като в CEBAF се провеждат едновременно три допълващи се експеримента, беше решено трите системи за събиране на данни да бъдат възможно най-сходни, така че физиците, които преминават от един експеримент към друг, да намерят позната среда. За тази цел беше наета група от специалисти физици, които да сформират група за разработване на система за събиране на данни, която да разработи обща система за трите зали. Резултатът е CODA - системата за онлайн събиране на данни на CEBAF [1].
Описание
CODA е набор от софтуерни инструменти и препоръчителен хардуер, които помагат за изграждането на система за събиране на данни за експерименти в областта на ядрената физика. При експериментите в областта на ядрената физика и физиката на елементарните частици следите на частиците се цифровизират от системата за събиране на данни, но детекторите са способни да генерират голям брой възможни измервания или "канали за данни".
АЦП, TDC и другата цифрова електроника обикновено са големи платки с конектори в предния край, които осигуряват вход и изход за цифрови сигнали, и конектор в задната част, който се включва към опорната платка. Група платки се включват в шаси или "кутия", която осигурява физическа поддръжка, захранване и охлаждане на платките и таблото. Това разположение позволява на електрониката, която може да цифровизира стотици канали, да се побере в едно шаси.
В системата CODA всяко шаси съдържа платка, която е интелигентен контролер за останалите шасита. Тази платка, наречена ReadOut Controller (ROC), конфигурира всяка от платките за дигитализация при първото получаване на данни, чете данните от дигитализаторите и ги форматира за по-късен анализ.
Въпроси и отговори
В: Как се нарича националната лаборатория на САЩ в Нюпорт Нюз, Вирджиния?
О: Националната лаборатория на САЩ в Нюпорт Нюз, Вирджиния, се нарича Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), обикновено наричана Jefferson Lab или JLab.
В: Кой управлява TJNAF?
О: TJNAF се управлява от Jefferson Science Associates, LLC, съвместно предприятие между Southeastern Universities Research Association, Inc. и CSC Applied Technologies, LLC.
В: Колко души работят в JLab?
О: В JLab работят над 675 души.
В: Колко учени са провеждали изследвания, използвайки съоръжението?
О: Над 2 000 учени от цял свят са провеждали изследвания, използвайки съоръжението.
В: Каква е мисията на TJNAF?
О: Мисията на TJNAF е "да предоставя авангардни научни съоръжения, възможности и ръководство, които са от съществено значение за откриването на фундаменталната структура на ядрената материя; да си партнира с промишлеността, за да прилага нейните напреднали технологии; и да служи на нацията и нейните общности чрез образование и работа с обществеността".
Въпрос: Какви подобрения са направени, за да се увеличи енергията от 6 GeV на 12 GeV?
О: За да се увеличи енергията от 6 GeV на 12 GeV, към ускорителя се добавят по-мощни магнити и захранващи устройства и ще се добави нова експериментална зала.
В: Кога ще започне пълната експлоатация след приключване на строителството?
О: Пълната експлоатация ще започне през 2015 г., след като строителството бъде завършено до 2013 г.
