Jefferson Lab (TJNAF) — JAV nacionalinė elektronų greitintuvo laboratorija

Pagrindinis laboratorijos mokslinių tyrimų įrenginys yra CEBAF greitintuvas, kurį sudaro poliarizuotų elektronų šaltinis ir injektorius bei pora 7/8 mylios (1400 m) ilgio superlaidžių RF linijinių greitintuvų. Abiejų linijinių greitintuvų galai tarpusavyje sujungti dviem lanko sekcijomis su magnetais, kurie lenkia elektronų pluoštą lanku. Taigi spindulio kelias yra lenktynių trasos formos ovalas. (Dauguma greitintuvų, pavyzdžiui, CERN ar Fermilab, turi apskritimo formos kelią su daugybe trumpų kamerų, kad pagreitintų išilgai apskritimo pasiskirsčiusius elektronus). Elektronų pluoštui atliekant iki penkių vienas po kito einančių orbitų, jo energija didėja iki didžiausios 6 GeV. Iš esmės CEBAF yra linijinis greitintuvas (LINAC), panašus į SLAC Stanforde, kuris buvo sulankstytas iki dešimtosios dalies savo įprasto ilgio. Jis veikia taip, tarsi būtų 7,8 mylios ilgio linijinis greitintuvas.

Dėl CEBAF konstrukcijos elektronų pluoštas yra ne pulsuojantis, o ištisinis, kuris būdingas žiediniams greitintuvams. (Tam tikra pluošto struktūra išlieka, tačiau impulsai yra daug trumpesni ir artimesni vienas kitam.) Elektronų pluoštas nukreipiamas į tris galimus taikinius (žr. toliau). Vienas iš išskirtinių JLab bruožų - nenutrūkstamas elektronų pluoštas, kurio pluošto ilgis yra mažesnis nei 1 pikosekundė. Kitas dalykas - JLab naudojama superlaidi RF (SRF) technologija, kurioje naudojant skystąjį helį niobis atšaldomas iki maždaug 4 K (-452,5 °F), todėl pašalinama elektrinė varža ir efektyviausiai perduodama energija elektronui. Šiam tikslui pasiekti "JLab" naudoja didžiausią pasaulyje skystojo helio šaldytuvą ir buvo viena pirmųjų didelio masto SRF technologijos diegėjų. Greitintuvas pastatytas 8 metrų, arba maždaug 25 pėdų, gylyje po Žemės paviršiumi, o greitintuvo tunelių sienos yra 2 pėdų storio.

Spindulys baigiasi trijose eksperimentinėse salėse, vadinamose A, B ir C. Kiekvienoje salėje yra unikalus spektrometras, fiksuojantis elektronų pluošto susidūrimų su stacionariu taikiniu rezultatus. Tai leidžia fizikams tyrinėti atomo branduolio sandarą, ypač kvarkų, sudarančių branduolio protonus ir neutronus, sąveiką.

Dalelių elgsena

Kiekvieną kartą apsukęs kilpą pluoštas praeina pro kiekvieną iš dviejų LINAC greitintuvų, tačiau pro skirtingą lenkimo magnetų rinkinį. (Kiekvienas rinkinys pritaikytas skirtingam spindulių pluošto greičiui.) Elektronai per LINAC greitintuvus praeina iki penkių kartų.

Susidūrimo įvykis

Kai į taikinyje esantį branduolį pataiko elektronas iš pluošto, įvyksta "sąveika" arba "įvykis", kurio metu dalelės išsisklaido salėje. Kiekvienoje salėje yra daugybė dalelių detektorių, kurie stebi įvykio metu susidariusių dalelių fizines savybes. Detektoriai generuoja elektrinius impulsus, kuriuos analoginiai skaitmeniniai keitikliai (ADC), laiko skaitmeniniai keitikliai (TDC) ir impulsų skaitikliai (skaleriai) paverčia skaitmeninėmis vertėmis.

Šie skaitmeniniai duomenys turi būti kaupiami ir saugomi, kad vėliau fizikas galėtų juos išanalizuoti ir atkurti įvykusį fizikinį reiškinį. Šią užduotį atliekanti elektronikos ir kompiuterių sistema vadinama duomenų rinkimo sistema.

12 GeV atnaujinimas

Nuo 2010 m. birželio mėn. pradėta statyti papildoma galinė stotis - D salė, esanti priešingame greitintuvo gale nei kitos trys salės, taip pat pradėta modernizacija, kuri padvigubins pluošto energiją iki 12 GeV. Kartu statomas bandymų laboratorijos (kurioje gaminamos CEBAF ir kituose pasaulyje naudojamuose greitintuvuose naudojamos SRF ertmės) priestatas.

"JLab" yra galingiausias pasaulyje derinamas laisvųjų elektronų lazeris, kurio galia viršija 14 kilovatų. Jungtinių Valstijų karinis jūrų laivynas finansuoja šiuos mokslinius tyrimus, siekdamas sukurti lazerį, kuris galėtų numušti raketas. Kadangi laboratorijoje atliekami įslaptinti kariniai tyrimai, ji yra uždara visuomenei, išskyrus kartą per dvejus metus rengiamas atvirų durų dienas.

"JLab" laisvųjų elektronų lazeris naudoja energijos atgavimo LINAC. Elektronai įšvirkščiami į linijinį greitintuvą. Tuomet greitai judantys elektronai pereina per peruką, kuri sukuria ryškų lazerio šviesos spindulį. Tada elektronai sugaunami ir nukreipiami atgal į įšvirkščiamąjį LINAC galą, kur jie perduoda didžiąją dalį savo energijos naujai elektronų partijai ir pakartoja procesą. Pakartotinai panaudojant elektronus ir didžiąją dalį jų energijos, laisvųjų elektronų lazeriui veikti reikia mažiau elektros energijos. "JLab" yra pirmasis energiją atkuriantis LINAC, kuriame gaminama ultravioletinė šviesa. Kornelio universitetas dabar bando sukurti tokį įrenginį rentgeno spinduliams gaminti.

Kadangi CEBAF vienu metu vykdomi trys vienas kitą papildantys eksperimentai, buvo nuspręsta, kad trys duomenų rinkimo sistemos turėtų būti kuo panašesnės, kad fizikai, pereinantys nuo vieno eksperimento prie kito, rastų pažįstamą aplinką. Tuo tikslu buvo pasamdyta fizikų specialistų grupė, kuri sudarė duomenų kaupimo kūrimo grupę, kad ši sukurtų bendrą sistemą visoms trims salėms. Taip atsirado CODA, CEBAF internetinė duomenų kaupimo sistema [1].

Aprašymas

CODA - tai programinės įrangos įrankių ir rekomenduojamos aparatinės įrangos rinkinys, padedantis sukurti branduolinės fizikos eksperimentams skirtą duomenų kaupimo sistemą. Atliekant branduolinės ir dalelių fizikos eksperimentus, dalelių pėdsakus skaitmenina duomenų kaupimo sistema, tačiau detektoriai gali generuoti daugybę galimų matavimų, arba "duomenų kanalų".

ADC, TDC ir kita skaitmeninė elektronika paprastai yra didelės plokštės su priekiniame krašte esančiomis jungtimis, kurios užtikrina skaitmeninių signalų įvestį ir išvestį, o gale yra jungtis, kuri jungiama į pagrindinę plokštę. Plokščių grupė jungiama į važiuoklę arba "dėžę", kuri fiziškai palaiko, maitina ir aušina plokštes ir pagrindinę plokštę. Toks išdėstymas leidžia elektroniką, galinčią skaitmeninti daug šimtų kanalų, sutalpinti į vieną šasi.

CODA sistemoje kiekvienoje važiuoklėje yra plokštė, kuri yra išmanusis kitų važiuoklių valdiklis. Ši plokštė, vadinama "ReadOut Controller" (ROC), pirmą kartą gavusi duomenis sukonfigūruoja kiekvieną skaitmeninimo plokštę, nuskaito duomenis iš skaitmenintuvų ir suformatuoja juos vėlesnei analizei.