Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Accelerator

Laboratoriets viktigaste forskningsanläggning är CEBAF-acceleratorn, som består av en polariserad elektronkälla och injektor samt ett par 1400 meter långa supraledande linjära RF-acceleratorer. Ändarna på de två linjära acceleratorerna är förbundna med varandra genom två bågsektioner med magneter som böjer elektronstrålen i en båge. Strålens väg är alltså en tävlingsbaneliknande oval. (De flesta acceleratorer, t.ex. CERN eller Fermilab, har en cirkulär bana med många korta kammare för att påskynda elektronerna som sprids längs cirkeln). När elektronstrålen gör upp till fem på varandra följande omloppsbanor ökar dess energi upp till maximalt 6 GeV. CEBAF är i praktiken en linjär accelerator (LINAC), som SLAC vid Stanford, som har vikts ihop till en tiondel av sin normala längd. Den fungerar som om den vore en 7,8 mil lång linjär accelerator.

CEBAF:s utformning gör att elektronstrålen är kontinuerlig i stället för den pulsade stråle som är typisk för ringformade acceleratorer. (Det finns en viss strålstruktur, men pulserna är mycket kortare och ligger närmare varandra). Elektronstrålen riktas mot tre potentiella mål (se nedan). En av de utmärkande egenskaperna hos JLab är elektronstrålens kontinuerliga karaktär, med en buntlängd på mindre än 1 picosekund. Ett annat är JLabs användning av supraledande RF-teknik (SRF), som använder flytande helium för att kyla niobium till cirka 4 K (-452,5°F), vilket tar bort det elektriska motståndet och möjliggör den mest effektiva överföringen av energi till en elektron. För att uppnå detta använder JLab världens största kylskåp med flytande helium och var en av de första som genomförde SRF-tekniken i stor skala. Acceleratorn är byggd 8 meter, eller cirka 25 fot, under jordens yta, och väggarna i acceleratorns tunnlar är 2 fot tjocka.

Strålen slutar i tre experimenthallar, som kallas Hall A, Hall B och Hall C. Varje hall innehåller en unik spektrometer som registrerar resultaten av kollisioner mellan elektronstrålen och ett stationärt mål. Detta gör det möjligt för fysikerna att studera atomkärnans struktur, särskilt interaktionen mellan de kvarkar som utgör atomkärnans protoner och neutroner.

Partiklarnas beteende

Varje gång strålen går runt slingan passerar den genom var och en av de två LINAC-acceleratorerna, men genom en annan uppsättning böjningsmagneter. (Varje uppsättning är utformad för att hantera en annan strålhastighet.) Elektronerna gör upp till fem passager genom LINAC-acceleratorerna.

Kollisionshändelse

När en atomkärna i målet träffas av en elektron från strålen uppstår en "interaktion" eller "händelse" som sprider partiklar i salen. Varje sal innehåller en rad partikeldetektorer som spårar de fysiska egenskaperna hos de partiklar som produceras av händelsen. Detektorerna genererar elektriska pulser som omvandlas till digitala värden med hjälp av analog-till-digitalomvandlare (ADC), tids-till-digitalomvandlare (TDC) och pulsräknare (scalers).

Dessa digitala data måste samlas in och lagras så att fysikern senare kan analysera dem och rekonstruera den fysik som inträffade. Det system av elektronik och datorer som utför denna uppgift kallas för ett datainsamlingssystem.

Uppgradering till 12 GeV

Sedan juni 2010 har man börjat bygga ytterligare en slutstation, Hall D, på motsatt sida av acceleratorn från de tre andra hallarna, samt en uppgradering som fördubblar strålenergin till 12 GeV. Samtidigt byggs ett tillägg till testlabbet (där de SRF-kaviteter som används i CEBAF och andra acceleratorer som används över hela världen tillverkas).

Uppgradering till 12 geV, som för närvarande är under uppbyggnad.

Frielektronlaser

JLab har världens mest kraftfulla avstämbara frielektronlaser med en effekt på över 14 kilowatt. Förenta staternas flotta finansierar denna forskning för att utveckla en laser som kan skjuta ner missiler. Eftersom labbet bedriver hemlig militär forskning är det stängt för allmänheten med undantag för ett öppet hus som hålls vartannat år.

JLabs frielektronlaser använder en LINAC för energiåtervinning. Elektroner injiceras i en linjär accelerator. De snabbt rörliga elektronerna passerar sedan genom en wiggler som ger upphov till en ljusstark laserstråle. Elektronerna fångas sedan in och styrs tillbaka till LINAC:s injektionsdel där de överför det mesta av sin energi till en ny omgång elektroner för att upprepa processen. Genom att återanvända elektronerna och större delen av deras energi kräver frielektronlasern mindre elektricitet för att fungera. JLab är den första LINAC med energiåtervinning som producerar ultravolymljus. Cornell University försöker nu bygga en sådan för att producera röntgenstrålar.

Schematisk bild av en frielektronlaser

CODA

Eftersom CEBAF har tre kompletterande experiment som pågår samtidigt beslutades det att de tre datainsamlingssystemen skulle vara så lika som möjligt, så att fysiker som går från ett experiment till ett annat skulle hitta en bekant miljö. Därför anställdes en grupp specialiserade fysiker för att bilda en utvecklingsgrupp för datainsamling för att utveckla ett gemensamt system för alla tre hallarna. Resultatet blev CODA, CEBAF:s system för datainsamling online [1].

Beskrivning

CODA är en uppsättning programvaruverktyg och rekommenderad hårdvara som hjälper till att bygga upp ett datainsamlingssystem för kärnfysikexperiment. I kärn- och partikelfysikexperiment digitaliseras partikelspåren av datainsamlingssystemet, men detektorerna kan generera ett stort antal möjliga mätningar, eller "datakanaler".

ADC, TDC och annan digital elektronik är vanligtvis stora kretskort med kontakter på framsidan som ger in- och utgångar för digitala signaler och en kontakt på baksidan som ansluts till ett bakplan. En grupp av kretskort sätts in i ett chassi eller en "låda" som ger fysiskt stöd, ström och kylning för kretskorten och backplane. Detta arrangemang gör att elektronik som kan digitalisera många hundra kanaler kan rymmas i ett enda chassi.

I CODA-systemet innehåller varje chassi ett kort som är en intelligent styrenhet för resten av chassit. Detta kort, som kallas ReadOut Controller (ROC), konfigurerar var och en av digitaliseringskorten när den först tar emot data, läser data från digitaliseringsenheterna och formaterar data för senare analys.