Jefferson Lab (TJNAF) — JAV nacionalinė elektronų greitintuvo laboratorija
Jefferson Lab (TJNAF) — JAV nacionalinė elektronų greitintuvo laboratorija Virdžinijoje: 12 GeV plėtra, pažangūs branduolinės struktūros tyrimai ir tarptautinė mokslinė bendruomenė.
Koordinatės: 37°05′41″N 76°28′54″W / 37.09472°N 76.48167°W / 37.09472; -76.48167
Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), paprastai vadinama Jefferson Lab arba JLab, yra JAV nacionalinė laboratorija Newport News, Virdžinijos valstijoje. Ji yra netoli 64-ojo greitkelio 256-ojo išvažiavimo. Nuo 2006 m. birželio 1 d. ją valdo "Jefferson Science Associates, LLC", bendra Pietryčių universitetų mokslinių tyrimų asociacijos, Inc. ir "CSC Applied Technologies, LLC" įmonė. Iki 1996 m. jis buvo žinomas kaip CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility). Šis pavadinimas vis dar dažnai vartojamas pagrindiniam greitintuvui pavadinti.
Apie laboratoriją
JLab buvo įsteigta 1984 m. ir per savo istoriją tapo viena pagrindinių pasaulyje branduolinės fizikos tyrimų centrų, orientuotų į protonų, neutronų ir hadronų vidinę struktūrą bei kvarkų ir gluonų dinamiką. Laboratorijoje dirba daugiau kaip 675 darbuotojai, o per metus čia atvyksta ir vykdo tyrimus keli šimtai lankytojų mokslininkų iš viso pasaulio; per visą veiklos laikotarpį JLab priėmė daugiau kaip 2 000 tyrėjų. Organizacijos misija apima ne tik fundamentaliuosius tyrimus, bet ir technologijų plėtrą, pramonės bendradarbiavimą bei visuomenės švietimą ir įtraukimą.
CEBAF greitintuvas ir technologija
Pagrindinis įrenginys – CEBAF – yra nuoseklinis (recirculinantis) elektronų greitintuvas, pasitelkiantis superlaidžius radijo dažnio (SRF) linijinius akceleratorius. Konstrukcija leidžia keletą kartų recirkuliuoti elektronų impulsą per tas pačias linijas, taip pasiekiant reikiamą energiją. Iš pradžių CEBAF tiekė nuolatinius (continuous-wave) elektronų srautus iki ~6 GeV, o vėlesnių modernizacijų metu jo galimybės buvo padidintos iki 12 GeV. Greitintuve naudojami pažangūs superlaidūs komponentai, sudėtingos magnetinės sistemos ir didelės galios maitinimo šaltiniai, kurie užtikrina stabilias, aukštos kokybės spinduliuotės savybes eksperimentams.
Tyrimų kryptys ir eksperimentinės salės
JLab pagrindinis mokslinis akcentas yra hadronų ir branduolinių struktūrų tyrimai: protonų ir neutronų formos, kvarkų pasiskirstymas ir spinų sandara, egzotinės būsenos (pvz., hibridiniai mezonai), bei paritetu susiję reiškiniai. Laboratorijoje veikia kelios eksperimentinės salės (Hall A, Hall B, Hall C, Hall D), kuriose vykdomi skirtingi programų rinkiniai:
- Hall A – tikslių matavimų ir didelio jautrumo eksperimentų vieta;
- Hall B – daugiafunktionė draudimo kamera CLAS/CLAS12, tinkama plataus kampo tyrimams;
- Hall C – integruotų ir aukštos energijos spinduliuotės matavimams;
- Hall D – sukurta specialiai egzotinių mezonų paieškai (pvz., GlueX eksperimentas).
Tarp žinomų atliktų eksperimentų yra tiek pagrindinių mokslo programų, tiek specifinių projektų, pavyzdžiui, Q-weak (parity-violating elektrono sklaidos matavimai) ir šiuolaikinių didelės spartos detektorių programos (pvz., CLAS12, GlueX). Taip pat JLab veda plėtrą tokioms eksperimentinėms sistemoms kaip SoLID.
12 GeV atnaujinimas
Siekiant plėsti JLab mokslines galimybes, įgyvendintas CEBAF 12 GeV atnaujinimas (12 GeV Upgrade). Šios programos tikslas buvo padidinti spinduliuotės energiją iki ~12 GeV, įrengti galingesnius magnetus ir maitinimo šaltinius, modernizuoti SRF sistemą bei pastatyti naują eksperimentinę salę (Hall D). Projektas leido atlikti naujos kartos hadronų fizikos experimentus ir žymiai išplėtė galimybes studijuoti kvarkų ir gluonų tarpusavio ryšius bei egzotines daleles. Atnaujinimo įgyvendinimas apėmė tiek techninius sprendimus, tiek intensyvų testavimą ir paleidimo fazes, leidžiančias pradėti naują eksperimentų etapą JLab istorijoje.
Technologinė veikla ir taikomieji tyrimai
Be fundamentinių tyrimų, JLab aktyviai vysto technologijas, kurios turi taikymų medicinoje, pramonei ir energetikoje. Laboratorija yra pripažinta SRF technologijų centru: čia kuriamos ir testuojamos superlaidžių kamerų konstrukcijos, pažangūs elektronų šaltiniai, vakuuminės technologijos, aukštos kokybės magnetai ir sudėtingos diagnostikos priemonės. JLab bendradarbiauja su verslu, universitetais ir kitomis tyrimų institucijomis technologijų perdavime ir komercinėse iniciatyvose.
Švietimas, visuomenės informavimas ir bendruomenė
JLab aktyviai dalyvauja mokslinio švietimo programose: organizuoja mokymus mokytojams, vasaros tyrimų programas studentams, viešas paskaitas ir ekskursijas, skirtas vietos bendruomenei. Laboratorija taip pat pateikia išteklius mokymuisi apie branduolinę fiziką, inžineriją ir technologijas, stengdamasi didinti visuomenės supratimą apie mokslo reikšmę ir karjeros galimybes STEM srityse.
Išvados
Thomas Jefferson National Accelerator Facility yra svarbi JAV ir tarptautinė tyrimų bazė, kurioje derinami pažangūs eksperimentai branduolinės ir dalelių fizikos srityse su aukštųjų technologijų plėtra bei švietimo iniciatyvomis. CEBAF greitintuvo konstrukcija ir 12 GeV atnaujinimas leido laboratorijai išlikti priekyje atliekant sudėtingus ir fundamentalius hadronų struktūros tyrimus.
Džefersono laboratorijos vaizdas iš oro.
Greitintuvas
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.
12GeV modernizavimas, kuris šiuo metu yra statomas.
Laisvųjų elektronų lazeris
"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.
Laisvųjų elektronų lazerio schema
CODA
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.
Klausimai ir atsakymai
K: Kaip vadinasi JAV nacionalinė laboratorija, esanti Niuport Niu, Virdžinijos valstijoje?
A: JAV nacionalinė laboratorija Niuport Niu, Virdžinijos valstijoje, vadinasi Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), paprastai vadinama Jefferson Lab arba JLab.
K: Kas valdo TJNAF?
A: TJNAF valdo "Jefferson Science Associates, LLC", bendra Pietryčių universitetų mokslinių tyrimų asociacijos "Southeastern Universities Research Association, Inc." ir "CSC Applied Technologies, LLC" įmonė.
K: Kiek žmonių dirba JLab?
A: JLab dirba daugiau nei 675 žmonės.
K.: Kiek mokslininkų atliko tyrimus naudodamiesi šiuo įrenginiu?
A.: Daugiau kaip 2 000 mokslininkų iš viso pasaulio atliko mokslinius tyrimus šioje laboratorijoje.
K: Kokia yra TJNAF misija?
A: TJNAF misija yra "teikti pažangiausią mokslinę įrangą, galimybes ir vadovavimą, būtiną pagrindinei branduolinės medžiagos struktūrai atrasti; bendradarbiauti su pramone, kad būtų galima pritaikyti pažangias technologijas, ir tarnauti šaliai ir jos bendruomenėms per švietimą ir visuomenės informavimą".
Klausimas: Kokie patobulinimai atliekami siekiant padidinti energiją nuo 6 GeV iki 12 GeV?
A: Siekiant padidinti energiją nuo 6 GeV iki 12 GeV, greitintuve įrengiami galingesni magnetai ir maitinimo šaltiniai, taip pat bus pastatyta nauja eksperimentinė salė.
K.: Kada bus pradėta visavertė veikla, kai bus baigta statyba?
A: Visapusiška veikla prasidės 2015 m., kai iki 2013 m. bus baigta statyba.
Ieškoti