Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Beschleuniger

Die Hauptforschungseinrichtung des Labors ist der CEBAF-Beschleuniger, der aus einer polarisierten Elektronenquelle und einem Injektor und einem Paar 1400 m (7/8 Meile) langer supraleitender HF-Linearbeschleuniger besteht. Die Enden der beiden Linearbeschleuniger sind durch zwei Bogenabschnitte mit Magneten miteinander verbunden, die den Elektronenstrahl in einem Bogen biegen. Der Strahlengang ist also ein laufbahnförmiges Oval. (Die meisten Beschleuniger, wie z.B. CERN oder Fermilab, haben eine Kreisbahn mit vielen kurzen Kammern, um die sich entlang des Kreises ausbreitenden Elektronen zu beschleunigen). Da der Elektronenstrahl bis zu fünf aufeinanderfolgende Bahnen bildet, wird seine Energie bis zu einem Maximum von 6 GeV erhöht. Tatsächlich ist der CEBAF ein Linearbeschleuniger (LINAC), wie der SLAC in Stanford, der bis zu einem Zehntel seiner normalen Länge gefaltet wurde. Er verhält sich, als wäre er ein 7,8 Meilen langer Linearbeschleuniger.

Das Design von CEBAF erlaubt es, dass der Elektronenstrahl kontinuierlich und nicht wie bei ringförmigen Beschleunigern üblich gepulst ist. (Es gibt zwar eine gewisse Strahlstruktur, aber die Pulse sind sehr viel kürzer und näher beieinander). Der Elektronenstrahl wird auf drei potentielle Ziele gerichtet (siehe unten). Eines der charakteristischen Merkmale von JLab ist die kontinuierliche Natur des Elektronenstrahls mit einer Paketlänge von weniger als 1 Pikosekunde. Ein weiteres Merkmal von JLab ist der Einsatz der supraleitenden Hochfrequenztechnologie (SRF), bei der flüssiges Helium verwendet wird, um Niob auf etwa 4 K (-452,5°F) zu kühlen, wodurch der elektrische Widerstand entfernt und die effizienteste Energieübertragung auf ein Elektron ermöglicht wird. Um dies zu erreichen, verwendet JLab den weltweit größten Flüssighelium-Kühlschrank und war einer der ersten großtechnischen Implementierer der SRF-Technologie. Der Beschleuniger wird 8 Meter oder etwa 25 Fuß unter der Erdoberfläche gebaut, und die Wände der Beschleunigertunnel sind zwei Fuß dick.

Der Strahl endet in drei experimentellen Hallen, die als Halle A, Halle B und Halle C bezeichnet werden. Jede Halle enthält ein einzigartiges Spektrometer zur Aufzeichnung der Ergebnisse von Kollisionen zwischen dem Elektronenstrahl und einem stationären Target. Dies ermöglicht es den Physikern, die Struktur des Atomkerns zu untersuchen, insbesondere die Wechselwirkung der Quarks, aus denen die Protonen und Neutronen des Kerns bestehen.

Verhalten von Partikeln

Jedes Mal um die Schleife läuft der Strahl durch jeden der beiden LINAC-Beschleuniger, jedoch durch einen anderen Satz von Biegemagneten. (Jeder Satz ist für eine andere Strahlgeschwindigkeit ausgelegt.) Die Elektronen machen bis zu fünf Durchgänge durch die LINAC-Beschleuniger aus.

Kollisionsereignis

Wenn ein Kern im Target von einem Elektron aus dem Strahl getroffen wird, tritt eine "Wechselwirkung" oder ein "Ereignis" ein, bei dem Partikel in den Saal gestreut werden. Jede Halle enthält eine Reihe von Teilchendetektoren, die die physikalischen Eigenschaften der durch das Ereignis erzeugten Teilchen verfolgen. Die Detektoren erzeugen elektrische Impulse, die von Analog-Digital-Wandlern (ADCs), Zeit-Digital-Wandlern (TDCs) und Impulszählern (Scalern) in digitale Werte umgewandelt werden.

Diese digitalen Daten müssen gesammelt und gespeichert werden, damit der Physiker die Daten später analysieren und die aufgetretene Physik rekonstruieren kann. Das System aus Elektronik und Computern, das diese Aufgabe erfüllt, wird als Datenerfassungssystem bezeichnet.

12 GeV-Upgrade

Ab Juni 2010 wurde mit dem Bau einer zusätzlichen Endstation, der Halle D, am gegenüberliegenden Ende des Beschleunigers gegenüber den anderen drei Hallen begonnen, sowie mit einem Upgrade, das die Strahlenergie auf 12 GeV verdoppelt. Gleichzeitig wird eine Erweiterung des Testlabors (in dem die in CEBAF und anderen weltweit eingesetzten Beschleunigern verwendeten SRF-Kavitäten hergestellt werden) errichtet.

12GeV-Upgrade, derzeit im Bau.

Freie-Elektronen-Laser

Das JLab beherbergt den weltweit leistungsstärksten abstimmbaren Freie-Elektronen-Laser mit einer Leistung von über 14 Kilowatt. Die Marine der Vereinigten Staaten finanziert diese Forschung, um einen Laser zu entwickeln, der Raketen abschießen kann. Da das Labor klassifizierte militärische Forschung betreibt, ist es bis auf einen Tag der offenen Tür, der alle zwei Jahre stattfindet, für die Öffentlichkeit geschlossen.

Der Freie-Elektronen-Laser JLab verwendet einen LINAC mit Energierückgewinnung. Elektronen werden in einen Linearbeschleuniger injiziert. Die sich schnell bewegenden Elektronen durchlaufen dann einen Wiggler, der einen hellen Laserlichtstrahl erzeugt. Die Elektronen werden dann eingefangen und zurück zum Injektionsende des LINAC gelenkt, wo sie den Großteil ihrer Energie auf eine neue Ladung von Elektronen übertragen, um den Prozess zu wiederholen. Durch die Wiederverwendung der Elektronen und des größten Teils ihrer Energie benötigt der Freie-Elektronen-Laser für seinen Betrieb weniger Elektrizität. Das JLab ist der erste LINAC mit Energierückgewinnung, der ultravoltstarkes Licht erzeugt. Die Cornell University versucht nun, eines zu bauen, um Röntgenstrahlen zu erzeugen.

Schematische Darstellung eines Freie-Elektronen-Lasers

CODA

Da im CEBAF drei komplementäre Experimente gleichzeitig laufen, wurde beschlossen, dass die drei Datenerfassungssysteme so ähnlich wie möglich sein sollten, damit die Physiker, die von einem Experiment zum anderen wechseln, eine vertraute Umgebung vorfinden. Zu diesem Zweck wurde eine Gruppe von spezialisierten Physikern beauftragt, eine Entwicklungsgruppe für die Datenerfassung zu bilden, um ein gemeinsames System für alle drei Hallen zu entwickeln. CODA, das Online-Datenerfassungssystem von CEBAF, war das Ergebnis [1]

Beschreibung

CODA ist eine Reihe von Software-Werkzeugen und empfohlener Hardware, die beim Aufbau eines Datenerfassungssystems für kernphysikalische Experimente helfen. Bei kernphysikalischen und teilchenphysikalischen Experimenten werden die Teilchenspuren durch das Datenerfassungssystem digitalisiert, aber die Detektoren sind in der Lage, eine große Anzahl von möglichen Messungen oder "Datenkanälen" zu erzeugen.

ADC, TDC und andere digitale Elektronik sind in der Regel große Leiterplatten mit Anschlüssen an der Vorderkante, die Ein- und Ausgang für digitale Signale bieten, und einem Anschluss an der Rückseite, der in eine Rückwandplatine gesteckt wird. Eine Gruppe von Platinen wird in ein Chassis oder eine "Kiste" gesteckt, das die Platinen und die Rückwandplatine physisch unterstützt, mit Strom versorgt und kühlt. Durch diese Anordnung kann Elektronik, die viele hundert Kanäle digitalisieren kann, in ein einziges Chassis passen.

Im CODA-System enthält jedes Chassis eine Platine, die eine intelligente Steuerung für den Rest des Chassis darstellt. Diese als ReadOut Controller (ROC) bezeichnete Platine konfiguriert jede der Digitalisierungskarten beim ersten Datenempfang, liest die Daten aus den Digitalisierern und formatiert die Daten für eine spätere Analyse.