Thomas Jefferson Nemzeti Gyorsító Laboratórium (Jefferson Lab, CEBAF)

A laboratórium fő kutatási létesítménye a CEBAF gyorsító, amely egy polarizált elektronforrásból és injektorból, valamint egy 1400 m hosszú szupravezető RF lineáris gyorsítóból áll. A két lineáris gyorsító végei két ívszakasszal vannak összekötve, amelyekben mágnesek vannak, amelyek az elektronsugarat ívben hajlítják. Így a sugár útja egy versenypálya alakú ovális. (A legtöbb gyorsító, mint például a CERN vagy a Fermilab, kör alakú pályával rendelkezik, sok rövid kamrával, hogy felgyorsítsa a kör mentén szétterülő elektronokat.) Ahogy az elektronsugár akár öt egymást követő pályát tesz meg, az energiája megnő, legfeljebb 6 GeV-ig. A CEBAF gyakorlatilag egy lineáris gyorsító (LINAC), mint a stanfordi SLAC, amelyet a szokásos hosszának tizedére hajtottak össze. Úgy működik, mintha egy 7,8 mérföld hosszú lineáris gyorsító lenne.

A CEBAF kialakítása lehetővé teszi, hogy az elektronsugár a gyűrű alakú gyorsítókra jellemző impulzusos sugár helyett folyamatos legyen. (Van ugyan némi sugárszerkezet, de az impulzusok sokkal rövidebbek és közelebb vannak egymáshoz.) Az elektronsugarat három lehetséges célpontra irányítják (lásd alább). A JLab egyik megkülönböztető jellemzője az elektronsugár folyamatos jellege, a köteghosszúság kevesebb mint 1 pikoszekundum. Egy másik jellemzője, hogy a JLab szupravezető RF (SRF) technológiát alkalmaz, amely folyékony héliumot használ a niobium kb. 4 K-ra (-452,5°F) történő lehűtéséhez, megszüntetve az elektromos ellenállást és lehetővé téve az energia leghatékonyabb átvitelét az elektronra. Ennek eléréséhez a JLab a világ legnagyobb folyékony héliumos hűtőszekrényét használja, és az SRF-technológia egyik első nagyszabású megvalósítója volt. A gyorsítót 8 méterrel, azaz körülbelül 25 lábbal a földfelszín alatt építették, és a gyorsítóalagutak falai 2 láb vastagok.

A sugár három kísérleti csarnokban végződik, amelyeket A, B és C csarnoknak nevezünk. Minden egyes csarnokban egy-egy egyedi spektrométer található, amely az elektronsugár és egy álló céltárgy közötti ütközések eredményeit rögzíti. Ez lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy tanulmányozzák az atommag szerkezetét, különösen az atommag protonjait és neutronjait alkotó kvarkok kölcsönhatását.

Részecskék viselkedése

A sugár minden egyes alkalommal, amikor a hurok körül kering, áthalad a két LINAC-gyorsító mindegyikén, de más-más hajlítómágnes-készleten. (Mindegyik készletet úgy tervezték, hogy különböző sugársebességű sugárnyalábot kezeljen.) Az elektronok legfeljebb öt alkalommal haladnak át a LINAC-gyorsítókon.

Ütközéses esemény

Amikor a céltárgyban lévő magot a sugárnyalábból érkező elektron eltalálja, "kölcsönhatás" vagy "esemény" következik be, amely részecskéket szór a terembe. Minden csarnok részecskedetektorok sorát tartalmazza, amelyek az esemény által létrehozott részecskék fizikai tulajdonságait követik. A detektorok elektromos impulzusokat generálnak, amelyeket analóg-digitális átalakítók (ADC), idő-digitális átalakítók (TDC) és impulzusszámlálók (skálázók) alakítanak át digitális értékekké.

Ezeket a digitális adatokat össze kell gyűjteni és tárolni, hogy a fizikus később elemezni tudja az adatokat, és rekonstruálni tudja a bekövetkezett fizikát. Az elektronikából és számítógépekből álló rendszert, amely ezt a feladatot végzi, adatgyűjtő rendszernek nevezzük.

12 GeV frissítés

2010 júniusában megkezdődött egy további végállomás, a D csarnok építése, amely a gyorsító másik három csarnokkal ellentétes végén helyezkedik el, valamint egy olyan fejlesztés, amely megduplázza a sugár energiáját 12 GeV-ra. Ezzel párhuzamosan a tesztlabor (ahol a CEBAF-ban és más, világszerte használt gyorsítókban használt SRF üregeket gyártanak) bővítése is folyamatban van.

A JLabban található a világ legerősebb hangolható szabadelektron-lézere, amelynek teljesítménye meghaladja a 14 kilowattot. Az Egyesült Államok haditengerészete finanszírozza ezt a kutatást, hogy olyan lézert fejlesszen ki, amellyel rakétákat lehet lelőni. Mivel a laboratórium titkos katonai kutatásokat végez, a kétévente egyszer megrendezett nyílt nap kivételével a nyilvánosság elől elzárt.

A JLab szabadelektron-lézere energia-visszanyerő LINAC-ot használ. Az elektronokat egy lineáris gyorsítóba injektálják. A gyorsan mozgó elektronok ezután áthaladnak egy wiggleren, amely fényes lézerfénysugarat hoz létre. Az elektronokat ezután befogják és visszavezetik a LINAC injektáló végéhez, ahol energiájuk nagy részét átadják egy újabb adag elektronnak, hogy megismételjék a folyamatot. Az elektronok és energiájuk nagy részének újrafelhasználásával a szabadelektron-lézer működéséhez kevesebb villamos energiára van szükség. A JLab az első olyan energia-visszanyerő LINAC, amely ultrarövid fényt állít elő. A Cornell Egyetem most próbál megépíteni egyet röntgensugarak előállítására.

Mivel a CEBAF-ban három egymást kiegészítő kísérlet fut egyszerre, úgy döntöttek, hogy a három adatgyűjtő rendszernek a lehető leghasonlóbbnak kell lennie, hogy a fizikusok az egyik kísérletről a másikra lépve ismerős környezetet találjanak. E célból egy, a fizikára szakosodott csoportot alkalmaztak, hogy adatgyűjtés-fejlesztő csoportot hozzanak létre, amely mindhárom csarnok számára közös rendszert fejleszt ki. Ennek eredménye lett a CODA, a CEBAF online adatgyűjtő rendszere [1].

Leírás

A CODA egy olyan szoftvereszköz- és ajánlott hardverkészlet, amely segít a nukleáris fizikai kísérletek adatgyűjtő rendszerének kiépítésében. A nukleáris és részecskefizikai kísérletekben a részecskesávokat az adatgyűjtő rendszer digitalizálja, de a detektorok nagyszámú lehetséges mérési adatot, azaz "adatcsatornát" képesek létrehozni.

Az ADC, TDC és egyéb digitális elektronika jellemzően nagy áramköri lapok, amelyek elülső szélén csatlakozókkal rendelkeznek, amelyek a digitális jelek be- és kimenetét biztosítják, a hátoldalon pedig egy csatlakozóval, amely a háttértárba csatlakozik. A lapok egy csoportját egy alvázba vagy "ládába" dugják, amely fizikai támogatást, áramellátást és hűtést biztosít a lapok és a hátlap számára. Ez az elrendezés lehetővé teszi, hogy a több száz csatorna digitalizálására képes elektronika egyetlen alvázba is beférjen.

A CODA-rendszerben minden egyes alváz tartalmaz egy lapot, amely intelligens vezérlő a többi alváz számára. Ez a lap, az úgynevezett ReadOut Controller (ROC) az első adatfogadáskor konfigurálja az egyes digitalizáló lapokat, beolvassa az adatokat a digitalizátorokból, és a későbbi elemzéshez formázza az adatokat.