Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Accelerator

Laboratoriets vigtigste forskningsfacilitet er CEBAF-acceleratoren, som består af en polariseret elektronkilde og -injektor og et par 1400 m lange superledende lineære RF-acceleratorer med en længde på 1400 m (7/8 mile). Enderne af de to lineære acceleratorer er forbundet med hinanden af to buesektioner med magneter, der bøjer elektronstrålen i en bue. Strålens bane er således en oval formet som en løbebane. (De fleste acceleratorer, f.eks. CERN eller Fermilab, har en cirkulær bane med mange korte kamre for at fremskynde elektronerne, der spredes langs cirklen). Efterhånden som elektronstrålen foretager op til fem på hinanden følgende baner, øges dens energi op til maksimalt 6 GeV. CEBAF er i realiteten en lineær accelerator (LINAC), ligesom SLAC i Stanford, der er blevet foldet sammen til en tiendedel af sin normale længde. Den fungerer som en 7,8 mil lang lineær accelerator.

CEBAF's design gør det muligt at anvende en kontinuerlig elektronstråle i stedet for en pulserende stråle, som er typisk for ringformede acceleratorer. (Der er en vis strålestruktur, men impulserne er meget kortere og tættere på hinanden). Elektronstrålen er rettet mod tre potentielle mål (se nedenfor). Et af JLab's særlige kendetegn er elektronstrålens kontinuerlige karakter, med en bundtlængde på mindre end 1 picosekund. Et andet er JLab's brug af superledende RF-teknologi (SRF), som anvender flydende helium til at køle niobium til ca. 4 K (-452,5°F), hvilket fjerner elektrisk modstand og muliggør den mest effektive overførsel af energi til en elektron. For at opnå dette bruger JLab verdens største køleskab med flydende helium og var en af de første, der implementerede SRF-teknologien i stor skala. Acceleratoren er bygget 8 meter eller ca. 25 fod under jordens overflade, og væggene i acceleratorens tunneler er 2 fod tykke.

Strålen ender i tre eksperimentelle haller, kaldet hal A, hal B og hal C. Hver hal indeholder et unikt spektrometer, der registrerer resultaterne af kollisioner mellem elektronstrålen og et stationært mål. Dette gør det muligt for fysikerne at studere atomkernens struktur, specielt vekselvirkningen mellem de kvarker, der udgør kernenes protoner og neutroner.

Partikeladfærd

Hver gang strålen går rundt i loopet, passerer den gennem hver af de to LINAC-acceleratorer, men gennem et andet sæt bøjningsmagneter. (Hvert sæt er konstrueret til at kunne håndtere en anden strålehastighed.) Elektronerne passerer op til fem gange gennem LINAC-acceleratorerne.

Kollisionsbegivenhed

Når en kerne i målet rammes af en elektron fra strålen, opstår der en "vekselvirkning" eller "begivenhed", som spreder partikler ud i hallen. Hver hal indeholder en række partikeldetektorer, der registrerer de fysiske egenskaber af de partikler, der er produceret af hændelsen. Detektorerne genererer elektriske impulser, som omdannes til digitale værdier af analog-digital-konvertere (ADC'er), tid-digital-konvertere (TDC'er) og pulstællere (scalere).

Disse digitale data skal indsamles og gemmes, så fysikeren senere kan analysere dataene og rekonstruere den fysik, der fandt sted. Det system af elektronik og computere, der udfører denne opgave, kaldes et dataindsamlingssystem.

12 GeV-opgradering

I juni 2010 er man begyndt at bygge en ekstra slutstation, hal D, i den modsatte ende af acceleratoren i forhold til de tre andre haller, samt en opgradering, der fordobler strålens energi til 12 GeV. Samtidig er man i gang med at bygge en tilbygning til testlaboratoriet (hvor de SRF-kaviteter, der anvendes i CEBAF og andre acceleratorer, som anvendes i hele verden, fremstilles).

12GeV-opgradering, som er under opbygning.

Fri-elektron laser

JLab huser verdens kraftigste afstemmelige frielektronlaser med en effekt på over 14 kilowatt. Den amerikanske flåde finansierer denne forskning for at udvikle en laser, der kan nedskyde missiler. Da laboratoriet udfører klassificeret militær forskning, er det lukket for offentligheden, bortset fra et åbent hus, der afholdes hvert andet år.

JLab-frielektronlaseren bruger en LINAC til energigenvinding. Elektroner injiceres i en lineær accelerator. De hurtigt bevægende elektroner passerer derefter gennem en wiggler, der producerer en lysende laserlysstråle. Elektronerne indfanges derefter og styres tilbage til LINAC'ens injektionsende, hvor de overfører det meste af deres energi til et nyt parti af elektroner, som gentager processen. Ved at genbruge elektronerne og det meste af deres energi kræver frielektronlaseren mindre elektricitet til at fungere. JLab er den første LINAC med energigenvinding, der producerer ultravolsomt lys. Cornell University forsøger nu at bygge et til at producere røntgenstråler.

Skematisk diagram af en fri-elektron-laser

CODA

Da CEBAF har tre komplementære eksperimenter, der kører samtidigt, blev det besluttet, at de tre dataindsamlingssystemer skulle være så ens som muligt, så fysikere, der går fra et eksperiment til et andet, ville finde et velkendt miljø. Med henblik herpå blev en gruppe specialiserede fysikere ansat til at danne en udviklingsgruppe for dataindsamling med henblik på at udvikle et fælles system for alle tre haller. Resultatet blev CODA, CEBAF Online Data Acquisition System [1].

Beskrivelse

CODA er et sæt softwareværktøjer og anbefalet hardware, der hjælper med at opbygge et dataindsamlingssystem til eksperimenter inden for kernefysik. I eksperimenter inden for kerne- og partikelfysik digitaliseres partikelsporene af dataindsamlingssystemet, men detektorerne er i stand til at generere et stort antal mulige målinger eller "datakanaler".

ADC, TDC og anden digital elektronik er typisk store printplader med stik i den forreste kant, der giver ind- og udgang til digitale signaler, og et stik bagpå, der kan tilsluttes til et backplane. En gruppe af kort er sat ind i et chassis eller "kasse", som giver fysisk støtte, strøm og køling til kortene og backplane. Dette arrangement gør det muligt at få elektronik, der kan digitalisere mange hundrede kanaler, til at passe ind i et enkelt chassis.

I CODA-systemet indeholder hvert chassis et kort, der er en intelligent controller for resten af chassiset. Dette kort, kaldet en ReadOut Controller (ROC), konfigurerer hvert af digitaliseringskortene ved første modtagelse af data, læser dataene fra digitaliseringsenhederne og formaterer dataene til senere analyse.