Jeffersona paātrinātāju laboratorija (JLab) — Newport News, Virdžīnija
Jeffersona paātrinātāju laboratorija (JLab) — Newport News, Virdžīnija: CEBAF paātrinātājs, 12 GeV modernizācija, starptautiski kodolfizikas pētījumi un izglītība.
Koordinātas: 37°05′41″N 76°28′54″W / 37.09472°N 76.48167°W / 37.09472; -76.48167
Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), ko mēdz saukt par Džefersona laboratoriju vai JLab, ir ASV nacionālā laboratorija Ņūportnūsā, Virdžīnijā. Tā atrodas netālu no 64. starpštata 256. nobrauktuves. Kopš 2006. gada 1. jūnija to pārvalda Jefferson Science Associates, LLC, kas ir kopuzņēmums starp Southeastern Universities Research Association, Inc. un CSC Applied Technologies, LLC. Līdz 1996. gadam tas bija pazīstams ar nosaukumu Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF). Šo nosaukumu joprojām bieži izmanto galvenajam paātrinātājam.
Misija un darbība
JLab misija ir nodrošināt modernu zinātnisko aprīkojumu, iespējas un vadību, kas ir būtiska kodolmateriālu pamatstruktūras atklāšanai; sadarboties ar rūpniecības nozari, lai izmantotu tās progresīvās tehnoloģijas; un kalpot valstij un tās kopienām, izmantojot izglītību un sabiedrības informēšanu. Institūcija darbojas kā lietotāju centrs — tūkstošiem zinātnieku no visas pasaules iesniedz pētījumu priekšlikumus un īsteno eksperimentus pēc recenzēšanas processa (PAC).
Galvenā iekārta — CEBAF
CEBAF ir recirkulējošs lineārais paātrinātājs ar lielāko daļu darbības balstītu uz supervadītajām radiofrekvences (SRF) tehnoloģijām. Sākotnēji paredzēts darbam līdz 6 GeV, CEBAF nodrošina nepārtrauktu (continuous-wave) elektronu stara piegādi, kas ir īpaši piemērota kodolfizikas pamatpētījumiem: dziļa neelastiskā skenēšana (DIS), formfaktoru mērījumi, paritātes pārkāpumu eksperimenti un protonu/neitronu iekšējās struktūras izpēte.
Eksperimentālie zāles un galvenie eksperimentu programmas
- Hall A — augstas izšķirtspējas spektrometri un precīzi mērījumi (piem., paritātes eksperimentiem un elektromagnētisko formfaktoru mērījumiem).
- Hall B — CLAS/CLAS12 komplekss, plaša pieejamība daudzkanālu izpētei, darbības uz GPD (generalized parton distributions) un transformācijām.
- Hall C — precīzā ekspozīcija ar augstas precizitātes spektrometriem (piem., Qweak un citi triecienu eksperimentiem).
- Hall D — pievienota 12 GeV programmas ietvaros; šeit darbojas GlueX eksperimenta aprīkojums, kas pēta eksotisko mezonu spektroskopiju, izmantojot polārizētu fotonu staru.
12 GeV paātrinātāja modernizācija
Lielā modernizācijas kampaņa palielināja CEBAF enerģiju no sākotnējām 6 GeV līdz maksimāli ap 12 GeV. Modernizācijas galvenie elementi ietvēra jaunu SRF kriomoduļu uzstādīšanu, jaudīgākus magnētus un barošanas avotus, atjauninātas staru transporta ierīces un jaunas eksperimentālās zāles (sevišķi Hall D). Lai gan sākotnējās prognozes paredzēja pabeigšanu agrāk, faktiski modernizācija tika pakāpeniski īstenota, un 12 GeV programmas eksperimentālā darbība sāka pieaugt 2017.–2018. gados ar plašāku zinātnisko programmu reprodukciju pēc nepieciešamajām pielāgošanām un pārbaudes periodiem.
Tehnoloģijas, pakalpojumi un sadarbība
JLab ir arī nozīmīgs SRF tehnoloģiju attīstītājs, piedāvājot zinātnisko un tehnisko atbalstu citiem paātrinātāja projektiem pasaulē. Institūta iekārtu un ekspertīzi bieži izmanto rūpniecība un valsts aģentūras. Papildus paātrinātājam JLab saimnieko programmas un laboratorijas, kas nodarbojas ar lāzertehnoloģijām (tajā skaitā brīvo elektronu lāzeru (FEL) projektus), kriogēnisko inženieriju un detektoru izstrādi.
Zinātniskie sasniegumi un nozīmīgi eksperimenti
JLab pētījumi ir būtiski paplašinājuši izpratni par kvarku un gluonu lomu hadronu iekšējā strukturā. Starp nozīmīgākajiem virzieniem ir nucleona formfaktoru mērījumi, paritātes-izkropļojumu eksperimenti (piem., PREX, Qweak), mezonu spektroskopija un GPD pētījumi, kas palīdz "attēlot" kvarku sadalījumu protonos un neitronos. GlueX programmā tiek meklēti eksotiskie mezoni, kuru eksistence prognozēta kvarku-ūdeņu teorijās.
Izglītība, sabiedrības informēšana un apmeklētāji
JLab vada plašas izglītības programmas — prakses, vasaras skolas, skolotāju apmācības un sabiedrības pasākumus. Laboratorijā ir apmeklētāju centrs (Exhibit Center) un interaktīvas izstādes, kā arī organizētas ekskursijas (atsevišķos gadījumos ierobežotas drošības apsvērumu dēļ). Institūcija sadarbojas ar skolām un universitātēm, veicinot STEM izglītību reģionā.
Personāls un lietotāju kopiena
JLab nodarbina vairākus simtus darbinieku (vairāk nekā 675) un ir piesaistījis tūkstošiem pētnieku no visas pasaules, kuri izmantojuši iekārtas saviem eksperimentiem. Kā nacionāls lietotāju centrs tas turpina būt starptautiski nozīmīgs kodolfizikas un paātrinātāju tehnoloģiju pētniecības centrs.
Piekļuve un drošība
Lai gan daļa laboratorijas teritorijas un iekārtu ir pieejami sabiedrībai (apmeklētāju centrs, izstādes), pieeja eksperimentālajām telpām un ražošanas zonām parasti prasa iepriekšēju saskaņošanu, dalību pētījumos vai speciālas drošības pārbaudes. Lielākā daļa zinātnisko eksperimentu tiek veikti pēc lietotāju programmas apstiprināšanas un koordinētas ar JLab personālu.
Par jaunāko informāciju par ekskursijām, pieteikšanos lietotāju programmām un aktuālo eksperimentālo grafiku ieteicams sekot JLab oficiālajām ziņām un paziņojumiem.
Džefersona laboratorijas skats no gaisa.
Paātrinātājs
Laboratorijas galvenā pētniecības iekārta ir CEBAF paātrinātājs, kas sastāv no polarizēta elektronu avota un inžektora un diviem 7/8 jūdzes (1400 m) gariem supravadošiem RF lineāriem paātrinātājiem. Abu lineāro paātrinātāju gali ir savienoti viens ar otru ar divām loka sekcijām ar magnētiem, kas izliek elektronu kūli lokā. Tādējādi staru kūļa ceļš ir sacensību trases ovāls. (Lielākajai daļai paātrinātāju, piemēram, CERN vai Fermilab, ir apļveida ceļš ar daudzām īsām kamerām, lai paātrinātu elektronu izkliedi pa apli). Kad elektronu kūlis veic līdz pieciem secīgiem apļiem, tā enerģija palielinās līdz maksimāli 6 GeV. Faktiski CEBAF ir lineārs paātrinātājs (LINAC), līdzīgi kā SLAC Stenfordā, kas ir salocīts līdz desmitajai daļai no tā parastā garuma. Tas darbojas tā, it kā tas būtu 7,8 jūdzes garš lineārais paātrinātājs.
CEBAF konstrukcija ļauj elektronu staru kūlim būt nepārtrauktam, nevis pulsējošam, kas raksturīgs gredzenveida paātrinātājiem. (Ir zināma staru kūļa struktūra, bet impulsi ir daudz īsāki un tuvāk viens otram.) Elektronu staru kūlis ir vērsts uz trim potenciālajiem mērķiem (sk. turpmāk). Viena no JLab atšķirīgajām iezīmēm ir elektronu kūļa nepārtrauktais raksturs, un tā kūļa garums ir mazāks par 1 pikosekundu. JLab izmanto arī supravadošo RF (SRF) tehnoloģiju, kurā izmanto šķidro hēliju, lai atdzesētu niobiju līdz aptuveni 4 K (-452,5 °F), tādējādi likvidējot elektrisko pretestību un nodrošinot visefektīvāko enerģijas pārnesi uz elektronu. Lai to panāktu, JLab izmanto pasaulē lielāko šķidrā hēlija ledusskapi, un tā bija viena no pirmajām SRF tehnoloģijas īstenotājām plašā mērogā. Paātrinātājs ir uzbūvēts 8 metrus jeb aptuveni 25 pēdas zem Zemes virsmas, un paātrinātāja tuneļu sienas ir 2 pēdas biezas.
Staru kūlis beidzas trīs eksperimentālajās zālēs, ko sauc par A, B un C zāli. Katrā zālē ir unikāls spektrometrs, kas reģistrē elektronu kūļa un stacionāra mērķa sadursmju rezultātus. Tas ļauj fiziķiem pētīt atoma kodola uzbūvi, jo īpaši kodola protonus un neitronus veidojošo kvārku mijiedarbību.
Daļiņu uzvedība
Katru reizi, apejot cilpu, staru kūlis iet caur katru no abiem LINAC paātrinātājiem, bet caur citu lieces magnētu komplektu. (Katrs komplekts ir konstruēts tā, lai spētu apstrādāt atšķirīgu staru kūļa ātrumu.) Elektroni veic līdz pat piecām caurlaidēm caur LINAC paātrinātājiem.
Sadursmes notikums
Kad kodolu mērķī notriec staru kūļa elektrons, notiek "mijiedarbība" jeb "notikums", izkliedējot daļiņas zālē. Katrā zālē ir virkne daļiņu detektoru, kas nosaka notikuma rezultātā radušos daļiņu fizikālās īpašības. Detektori ģenerē elektriskos impulsus, kurus analogo ciparu pārveidotāji (ADC), laika ciparu pārveidotāji (TDC) un impulsu skaitītāji (skalači) pārvērš ciparu vērtībās.
Šie digitālie dati ir jāapkopo un jāglabā, lai fiziķis vēlāk varētu tos analizēt un rekonstruēt notikušo fiziku. Elektronikas un datoru sistēmu, kas veic šo uzdevumu, sauc par datu ieguves sistēmu.
12 GeV jauninājums
No 2010. gada jūnija ir uzsākta papildu gala stacijas - D halles - būvniecība paātrinātāja pretējā galā no pārējām trim zālēm, kā arī modernizācija, kas divkāršo staru kūļa enerģiju līdz 12 GeV. Vienlaikus tiek būvēta piebūve testa laboratorijai (kurā ražo SRF dobumus, ko izmanto CEBAF un citos pasaulē izmantotajos paātrinātājos).
12GeV modernizācija, kas pašlaik tiek būvēta.
Brīvo elektronu lāzers
JLab atrodas pasaulē jaudīgākais noskaņojamais brīvo elektronu lāzers, kura jauda pārsniedz 14 kilovatus. Amerikas Savienoto Valstu Jūras kara flote finansē šos pētījumus, lai izstrādātu lāzeru, kas varētu notriekt raķetes. Tā kā laboratorijā veic klasificētus militārus pētījumus, tā ir slēgta sabiedrībai, izņemot reizi divos gados notiekošo atvērto durvju dienu.
JLab brīvo elektronu lāzers izmanto enerģijas atgūšanas LINAC. Elektroni tiek ievadīti lineārajā paātrinātājā. Ātri kustīgie elektroni pēc tam iziet cauri vīglerim, kas rada spilgtu lāzera gaismas staru. Pēc tam elektronus satver un novirza atpakaļ uz LINAC iesmidzināšanas galu, kur tie nodod lielāko daļu savas enerģijas jaunai elektronu partijai, lai atkārtotu procesu. Atkārtoti izmantojot elektronus un lielāko daļu to enerģijas, brīvo elektronu lāzera darbībai nepieciešams mazāk elektroenerģijas. JLab ir pirmais enerģijas reģenerācijas LINAC, kas ražo ultravioleto gaismu. Kornela universitāte tagad mēģina uzbūvēt tādu, kas ražotu rentgena starus.
Brīvo elektronu lāzera shēma
CODA
Tā kā CEBAF vienlaicīgi tiek veikti trīs savstarpēji papildinoši eksperimenti, tika nolemts, ka visām trim datu ieguves sistēmām jābūt pēc iespējas līdzīgām, lai fiziķi, pārejot no viena eksperimenta uz otru, varētu atrast pazīstamu vidi. Šim nolūkam tika nolīgta speciālistu fiziķu grupa, lai izveidotu datu ieguves izstrādes grupu un izstrādātu visām trim zālēm kopīgu sistēmu. Rezultātā tika izveidota CODA - CEBAF tiešsaistes datu ieguves sistēma [1].
Apraksts
CODA ir programmatūras rīku un ieteicamās aparatūras komplekts, kas palīdz izveidot datu ieguves sistēmu kodolfizikas eksperimentiem. Kodolfizikas un daļiņu fizikas eksperimentos daļiņu pēdas digitalizē datu ieguves sistēma, bet detektori spēj ģenerēt lielu skaitu iespējamo mērījumu jeb "datu kanālu".
ADC, TDC un cita digitālā elektronika parasti ir lielas shēmas plates ar savienotājiem priekšējā malā, kas nodrošina digitālo signālu ievadi un izvadi, un savienotāju aizmugurē, kas savienojams ar pamatplati. Plākšņu grupa ir iebūvēta šasijā jeb "kastē", kas nodrošina fizisku atbalstu, strāvas padevi un dzesēšanu platēm un pamatplatei. Šāds izvietojums ļauj vienā šasijā ievietot elektroniku, kas spēj digitalizēt vairākus simtus kanālu.
CODA sistēmā katrā šasijā ir plate, kas ir pārējo šasiju inteliģentais kontrolieris. Šī plate, ko sauc par nolasīšanas kontrolieri (ROC), pirmo reizi saņemot datus, konfigurē katru no digitalizācijas platēm, nolasa datus no digitalizatoriem un formatē datus turpmākai analīzei.
Meklēt