Лаборатория Джефферсона

Ускоритель

Основным исследовательским объектом лаборатории является ускоритель CEBAF, состоящий из источника поляризованных электронов и инжектора и пары сверхпроводящих ВЧ-линейных ускорителей длиной 7/8 мили (1400 м). Концы двух линейных ускорителей соединены между собой двумя дуговыми секциями с магнитами, которые изгибают пучок электронов в дуге. Таким образом, путь пучка представляет собой гоночный овал. (Большинство ускорителей, таких как CERN или Fermilab, имеют круговую траекторию со многими короткими камерами, чтобы ускорить распространение электронов по кругу). Поскольку электронный пучок составляет до пяти последовательных орбит, его энергия увеличивается до максимума 6 ГэВ. По сути, CEBAF - это линейный ускоритель (LINAC), подобный SLAC в Стэнфорде, который был сложен до десятой части своей нормальной длины. Он действует так, как если бы это был линейный ускоритель длиной 7,8 мили.

Конструкция CEBAF позволяет электронному пучку быть непрерывным, а не импульсным, как в ускорителях кольцевой формы. (Существует некоторая структура пучка, но импульсы намного короче и ближе друг к другу). Пучок электронов направлен на три потенциальные мишени (см. ниже). Одной из отличительных особенностей JLab является непрерывная природа электронного пучка с длиной пучка менее 1 пикосекунды. Другой особенностью JLab является использование в ней сверхпроводящей ВЧ-технологии (SRF), в которой жидкий гелий используется для охлаждения ниобия примерно до 4 К (-452,5°F), что устраняет электрическое сопротивление и позволяет наиболее эффективно передавать энергию электрону. Для достижения этой цели JLab использует самый большой в мире холодильник с жидким гелием и является одним из первых крупномасштабных внедрений технологии SRF. Ускоритель построен на глубине 8 метров, или примерно 25 футов, под земной поверхностью, а толщина стенок туннелей ускорителя составляет 2 фута.

Пучок заканчивается в трех экспериментальных залах, называемых залами А, В и С. Каждый зал содержит уникальный спектрометр для регистрации результатов столкновений между электронным пучком и неподвижной мишенью. Это позволяет физикам изучать структуру атомного ядра, а именно взаимодействие кварков, составляющих протоны и нейтроны ядра.

Поведение частиц

Каждый раз при обходе петли луч проходит через каждый из двух ускорителей LINAC, но через разный набор изгибающих магнитов. (Каждый комплект предназначен для работы с разной скоростью луча.) Электроны составляют до пяти прохождений через ускорители LINAC.

Событие столкновения

Когда на ядро в мишени попадает электрон из луча, происходит "взаимодействие", или "событие", рассеивающее частицы в зал. Каждый зал содержит массив детекторов частиц, которые отслеживают физические свойства частиц, вызванных этим событием. Детекторы генерируют электрические импульсы, которые преобразуются в цифровые величины аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), временем в цифровые преобразователи (ЦП) и счетчиками импульсов (сканерами).

Эти цифровые данные должны быть собраны и сохранены таким образом, чтобы физик мог впоследствии проанализировать данные и реконструировать физику, которая произошла. Система электроники и компьютеров, выполняющих эту задачу, называется системой сбора данных.

12 Модернизация GeV

По состоянию на июнь 2010 года началось строительство дополнительной конечной станции, зала D, на противоположном конце ускорителя из трех других залов, а также модернизация, которая удваивает энергию луча до 12 ГэВ. Одновременно ведется строительство дополнительной испытательной лаборатории (в которой производятся полости SRF, используемые в CEBAF и других ускорителях, используемых во всем мире).

Модернизация 12GeV, в настоящее время находится в стадии строительства.

Свободно-электронный лазер

В JLab установлен самый мощный в мире перестраиваемый лазер на свободных электронах мощностью более 14 киловатт. Военно-морской флот США финансирует эти исследования для разработки лазера, который может сбивать ракеты. Так как лаборатория занимается секретными военными исследованиями, она закрыта для публики, за исключением дней открытых дверей, проводимых раз в два года.

В лазере JLab на свободных электронах используется рекуперация энергии LINAC. Электроны впрыскиваются в линейный ускоритель. Быстро движущиеся электроны затем проходят через вихрь, который производит яркий лазерный луч света. Затем электроны захватываются и направляются обратно к инжекционному концу LINAC, где они передают большую часть своей энергии новой партии электронов, чтобы повторить процесс. При повторном использовании электронов и большей части их энергии лазер на свободных электронах требует меньше электроэнергии для работы. Лаборатория JLab является первой лабораторией LINAC по рекуперации энергии, производящей ультрафиолетовое излучение. В настоящее время Корнельский университет пытается построить такую лабораторию для получения рентгеновских лучей.

Схематическое изображение лазера на свободных электронах

CODA

Поскольку CEBAF проводит три взаимодополняющих эксперимента одновременно, было решено, что три системы сбора данных должны быть как можно более похожими, чтобы физики, переходя от одного эксперимента к другому, находили привычную среду. С этой целью была нанята группа физиков-специалистов для создания группы по разработке систем сбора данных для разработки общей системы для всех трех залов. Результатом стало создание CODA, системы сбора данных в режиме онлайн CEBAF [1].

Описание

CODA - это набор программных инструментов и рекомендуемого оборудования, который помогает создавать систему сбора данных для проведения экспериментов в области ядерной физики. В экспериментах по ядерной физике и физике частиц система сбора данных оцифровывает следы частиц, но детекторы способны генерировать большое количество возможных измерений, или "каналов данных".

АЦП, ТЦП и другая цифровая электроника, как правило, представляют собой большие печатные платы с разъемами на переднем крае, которые обеспечивают вход и выход для цифровых сигналов, и разъемом на задней панели, который вставляется в объединительную плату. Группа плат подключается к шасси, или "ящику", который обеспечивает физическую поддержку, питание и охлаждение плат и объединительной платы. Такое расположение позволяет электронике, способной оцифровывать многие сотни каналов, поместиться в одно шасси.

В системе CODA каждое шасси содержит плату, которая является интеллектуальным контроллером для остальной части шасси. Эта плата, называемая контроллером ReadOut Controller (ROC), конфигурирует каждую из плат оцифровки при первом получении данных, считывает данные с устройств оцифровки и форматирует данные для последующего анализа.