Националната ускорителна инсталация "Томас 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.