Jeffersona paātrinātāju laboratorija (JLab) — Newport News, Virdžīnija

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).

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.

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.