Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Versneller

De belangrijkste onderzoeksfaciliteit van het laboratorium is de CEBAF-versneller, die bestaat uit een gepolariseerde elektronenbron en injector en een paar 7/8 mijl (1400 m) lange supergeleidende RF-lineaire versnellers. De uiteinden van de twee lineaire versnellers zijn met elkaar verbonden door twee boogsecties met magneten die de elektronenbundel in een boog buigen. Het straalpad is dus een ovaal in de vorm van een racebaan. (De meeste versnellers, zoals CERN of Fermilab, hebben een cirkelvormig pad met veel korte kamers om de elektronen die zich langs de cirkel verspreiden te versnellen). Aangezien de elektronenbundel tot vijf opeenvolgende banen maakt, wordt zijn energie verhoogd tot maximaal 6 GeV. In feite is CEBAF een lineaire versneller (LINAC), zoals SLAC op Stanford, die tot een tiende van zijn normale lengte is opgevouwen. Het werkt alsof het een 7,8 mijl lange lineaire versneller is.

Het ontwerp van CEBAF maakt het mogelijk dat de elektronenbundel continu is in plaats van de gepulseerde bundel die typisch is voor ringvormige versnellers. (Er is enige bundelstructuur, maar de pulsen zijn veel korter en dichter bij elkaar). De elektronenbundel is gericht op drie potentiële doelen (zie hieronder). Een van de onderscheidende kenmerken van JLab is het continue karakter van de elektronenbundel, met een bundellengte van minder dan 1 picoseconde. Een ander kenmerk van JLab is het gebruik van supergeleidende RF (SRF) technologie, waarbij vloeibare helium wordt gebruikt om niobium af te koelen tot ongeveer 4 K (-452.5°F), waardoor de elektrische weerstand wordt weggenomen en de meest efficiënte overdracht van energie naar een elektron mogelijk is. Om dit te bereiken maakt JLab gebruik van 's werelds grootste koelkast met vloeibaar helium en was het een van de eerste grootschalige implementatoren van de SRF-technologie. De versneller is 8 meter, of ongeveer 25 voet, onder het aardoppervlak gebouwd en de wanden van de versnellingstunnels zijn 2 voet dik.

De straal eindigt in drie experimentele zalen, genaamd Hal A, Hal B en Hal C. Elke zaal bevat een unieke spectrometer om de resultaten van botsingen tussen de elektronenbundel en een stationair doel vast te leggen. Hierdoor kunnen natuurkundigen de structuur van de atoomkern bestuderen, met name de interactie tussen de quarks die protonen en neutronen van de kern vormen.

Deeltjesgedrag

Elke keer rond de lus gaat de straal door elk van de twee LINAC-versnellers, maar door een andere set buigmagneten. (Elke set is ontworpen om een andere bundelsnelheid aan te kunnen.) De elektronen maken tot vijf passen door de LINAC-versnellers.

Botsingsevenement

Wanneer een kern in het doelwit wordt geraakt door een elektron uit de bundel, ontstaat er een "interactie", of "gebeurtenis", die deeltjes in de hal verstrooit. Elke hal bevat een reeks van deeltjesdetectoren die de fysische eigenschappen van de deeltjes die door de gebeurtenis worden geproduceerd, volgen. De detectoren genereren elektrische pulsen die worden omgezet in digitale waarden door analoge naar digitale omzetters (ADC's), tijd naar digitale omzetters (TDC's) en pulstellers (scalers).

Deze digitale gegevens moeten worden verzameld en opgeslagen, zodat de fysicus de gegevens later kan analyseren en de opgetreden fysica kan reconstrueren. Het systeem van elektronica en computers dat deze taak uitvoert, wordt een data-acquisitiesysteem genoemd.

12 GeV-upgrade

Vanaf juni 2010 is begonnen met de bouw van een extra eindstation, Hal D, aan de andere kant van het gaspedaal van de andere drie hallen, evenals een upgrade die de energie van de bundel verdubbelt tot 12 GeV. Tegelijkertijd wordt een toevoeging aan het Testlab gebouwd (waar de SRF-holtes die gebruikt worden in CEBAF en andere versnellers die wereldwijd worden gebruikt, worden vervaardigd).

12GeV upgrade, momenteel in aanbouw.

Vrije-elektronenlaser

JLab herbergt 's werelds krachtigste afstembare vrije-elektronenlaser, met een vermogen van meer dan 14 kilowatt. De Amerikaanse marine financiert dit onderzoek om een laser te ontwikkelen die raketten kan afvuren. Omdat het lab geclassificeerd militair onderzoek doet, is het gesloten voor het publiek, met uitzondering van een open huis dat eens in de twee jaar wordt gehouden.

De JLab vrije-elektronenlaser gebruikt een energieterugwinning LINAC. Elektronen worden in een lineaire versneller geïnjecteerd. De snel bewegende elektronen gaan vervolgens door een wiggler die een heldere laserlichtstraal produceert. De elektronen worden vervolgens opgevangen en teruggestuurd naar het injectie-einde van de LINAC waar ze het grootste deel van hun energie overbrengen naar een nieuwe partij elektronen om het proces te herhalen. Door de elektronen en het grootste deel van hun energie te hergebruiken, heeft de vrije-elektronenlaser minder elektriciteit nodig om te werken. De JLab is de eerste energieterugwinnende LINAC die ultravoliet licht produceert. Cornell University probeert er nu een te bouwen om röntgenstraling te produceren.

Schema van een vrije-elektronenlaser

CODA

Aangezien het CEBAF drie complementaire experimenten tegelijkertijd heeft lopen, is besloten dat de drie data-acquisitiesystemen zo veel mogelijk op elkaar moeten lijken, zodat fysici die van het ene experiment naar het andere gaan een vertrouwde omgeving zouden vinden. Daartoe werd een groep gespecialiseerde fysici ingehuurd om een data-acquisitie-ontwikkelingsgroep te vormen en zo een gemeenschappelijk systeem voor alle drie de hallen te ontwikkelen. Het CODA, het CEBAF Online Data Acquisition systeem, was het resultaat [1].

Beschrijving

Het CODA is een set van software-instrumenten en aanbevolen hardware die helpt bij het bouwen van een data-acquisitiesysteem voor kernfysische experimenten. Bij kern- en deeltjesfysica-experimenten worden de deeltjessporen gedigitaliseerd door het data-acquisitiesysteem, maar de detectoren zijn in staat om een groot aantal mogelijke metingen, of "datakanalen", te genereren.

De ADC, TDC en andere digitale elektronica zijn meestal grote printplaten met connectoren aan de voorkant die zorgen voor de in- en uitgang van digitale signalen, en een connector aan de achterkant die in een backplane wordt gestoken. Een groep printplaten wordt aangesloten op een chassis, of "kist", die zorgt voor fysieke ondersteuning, stroom en koeling van de printplaten en de backplane. Deze opstelling maakt het mogelijk om met behulp van elektronica vele honderden kanalen te digitaliseren in een enkel chassis.

In het CODA-systeem bevat elk chassis een printplaat die een intelligente controller is voor de rest van het chassis. Dit bord, dat een ReadOut Controller (ROC) wordt genoemd, configureert elk van de digitaliseringsborden bij de eerste ontvangst van gegevens, leest de gegevens van de digitizers en formatteert de gegevens voor latere analyse.