Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона

«Jlab» перенаправляется сюда. Информацию о программном обеспечении для численных вычислений см. в jLab . Информацию о марке наушников и динамиков см. в разделе JLab Audio .

Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона

Девиз	Исследование природы материи
Учредил	1984 год ( 1984 )
Тип исследования	Ядерная физика
Бюджет	в. США 200 миллионов долларов (2010 г.)
Директор	Стюарт Хендерсон
Персонал	675
Расположение	Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния , США
Кампус	214 акров (87 га)
Операционное агентство	Джефферсон Сайенс Ассошиэйтс, ООО
Веб-сайт	www.jlab.org

Установка непрерывного электронного пучка (CEBAF)

Схема ускорителя и экспериментальных залов после энергетической модернизации 12 ГэВ.
Общие свойства
Тип ускорителя	Парные ускорители
Тип луча	электроны
Тип цели	фиксированная цель
Свойства балки
Максимальная энергия	12 ГэВ
Максимальный ток	85 мкА
Физические свойства
Длина	1400 метров (7/8 миль) на линейный ускоритель
Координаты	37 ° 05'41 ″ с.ш. 76 ° 28'54 ″ з.д.
учреждение	Джефферсон Сайенс Ассошиэйтс, ООО
Даты работы	1984 – настоящее время

Вид с воздуха на лабораторию Джефферсона

Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона ( TJNAF ), обычно называемый «Лаборатория Джефферсона» или JLab , — это национальная лаборатория Министерства энергетики США , расположенная в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния .

С 1 июня 2006 года им управляет компания Jefferson Science Associates, LLC, компания с ограниченной ответственностью, созданная Исследовательской ассоциацией юго-восточных университетов и PAE Applied Technologies. С 2021 года Научная ассоциация Джефферсона является дочерней компанией, находящейся в полной собственности Исследовательской ассоциации юго-восточных университетов. До 1996 года TJNAF был известен как Ускоритель непрерывного электронного пучка (CEBAF); обычно это имя до сих пор используется для основного ускорителя. В лаборатории Джефферсона, основанной в 1984 году, работают более 750 человек, и более 2000 ученых со всего мира проводят исследования с использованием этой лаборатории.

История

Объект был основан в 1984 году (первое первоначальное финансирование со стороны Министерства энергетики ) как Ускоритель непрерывного электронного пучка (CEBAF) Исследовательской ассоциацией юго-восточных университетов; в 1996 году название было изменено на Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона. Полное финансирование строительства было выделено Конгрессом США в 1986 году, а 13 февраля 1987 года началось строительство основного компонента - ускорителя CEBAF. Первый пучок был доставлен на экспериментальную площадку 1 июля 1994 г. Проектная энергия пучка 4 ГэВ была достигнута в 1995 г. Освящение лаборатории состоялось 24 мая 1996 г. (на этом мероприятии также было изменено название) . Полная начальная эксплуатация всех трех начальных экспериментальных зон при проектной энергии была достигнута 19 июня 1998 года. 6 августа 2000 года CEBAF достиг «повышенной расчетной энергии» 6 ГэВ. В 2001 году начались планы по повышению энергии электронного пучка до 12 ГэВ и планы по строительству четвертого экспериментального зала. В течение десятилетия 2000-х годов планы проходили через различные этапы принятия критических решений Министерства энергетики: окончательная приемка Министерства энергетики состоялась в 2008 году, а строительство модернизации на 12 ГэВ началось в 2009 году. 18 мая 2012 года первоначальный ускоритель CEBAF на 6 ГэВ был остановлен для замены ускорителя CEBAF на 6 ГэВ. компоненты ускорителя для модернизации на 12 ГэВ. С оригинальным CEBAF было проведено 178 экспериментов.

Помимо ускорителя, в лаборатории размещался и продолжает размещаться лазер на свободных электронах (ЛСЭ). Строительство ЛСЭ началось 11 июня 1996 года. Первый свет появился 17 июня 1998 года. С тех пор ЛСЭ неоднократно модернизировалась, существенно увеличивая ее мощность и возможности.

Лаборатория Джефферсона также участвовала в строительстве источника расщепленных нейтронов (SNS) в Ок-Ридже и его модернизации, а также электрон-ионного коллайдера в Брукхейвенской национальной лаборатории. Джефферсон строит сверхпроводящие ускорители и гелиевые системы охлаждения для ускорителей Министерства энергетики вокруг национального лабораторного комплекса.

Ускоритель

Основным исследовательским центром лаборатории является ускоритель CEBAF, который состоит из источника и инжектора поляризованных электронов , а также пары сверхпроводящих линейных РЧ-ускорителей длиной 1400 м (7/8 миль), соединенных друг с другом двумя дуговыми секциями, которые содержат рулевые магниты. Поскольку электронный пучок совершает до пяти последовательных витков, его энергия увеличивается максимум до 6 ГэВ (оригинальная машина CEBAF сначала работала в 1995 году с расчетной энергией 4 ГэВ, а затем достигла «повышенной расчетной энергии» 6 ГэВ в 2000 году. с тех пор установка была модернизирована до энергии 12 ГэВ). Это приводит к созданию конструкции, которая выглядит похожей на гоночную трассу по сравнению с классическими кольцеобразными ускорителями, найденными в таких центрах, как ЦЕРН или Фермилаб . По сути, CEBAF — это линейный ускоритель , похожий на SLAC в Стэнфорде , который сложен до одной десятой своей нормальной длины.

Конструкция CEBAF позволяет использовать электронный пучок непрерывным, а не импульсным, типичным для кольцевых ускорителей. (Существует некоторая структура луча, но импульсы намного короче и ближе друг к другу.) Электронный луч направляется на три потенциальные мишени (см. ниже). Одной из отличительных особенностей лаборатории Джефферсона является непрерывный характер электронного луча с длиной сгустка менее 1 пикосекунды . Другой пример - использование в лаборатории Джефферсона технологии сверхпроводящей радиочастоты (SRF), в которой жидкий гелий используется для охлаждения ниобия примерно до 4 К (-452,5 ° F), устраняя электрическое сопротивление и обеспечивая наиболее эффективную передачу энергии электрону. Для достижения этой цели в лаборатории Джефферсона установлен самый большой в мире холодильник с жидким гелием, и это было одно из первых крупномасштабных применений технологии SRF. Ускоритель построен на глубине 8 метров под поверхностью Земли, или примерно 25 футов, а толщина стенок ускорительных туннелей составляет 2 фута.

Луч заканчивается в четырех экспериментальных залах, обозначенных Зал А, Зал Б , Зал С и Зал D. В каждом зале установлены специализированные спектрометры для регистрации продуктов столкновений электронного пучка или реальных фотонов с неподвижной мишенью. Это позволяет физикам изучать структуру атомного ядра , в частности взаимодействие кварков , составляющих протоны и нейтроны ядра.

При каждом обороте ускорителя луч проходит через каждый из двух ускорителей LINAC , но через другой набор изгибающих магнитов в полукруглых дугах на концах ускорителей. Электроны совершают до пяти проходов через линейные ускорители.

Когда в ядро ​​мишени попадает электрон пучка, происходит «взаимодействие» или «событие», рассеивающее частицы в зал. В каждом зале есть набор детекторов частиц , которые отслеживают физические свойства частиц, образующихся в результате этого события. Детекторы генерируют электрические импульсы , которые преобразуются в цифровые значения с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП), время-цифровых преобразователей (ВЦП) и счетчиков импульсов (скалеров).

Эти цифровые данные собираются и сохраняются, чтобы физик мог позже проанализировать данные и восстановить произошедшую физику. Система электроники и компьютеров, выполняющих эту задачу, называется системой сбора данных .

Модернизация 12 ГэВ

По состоянию на июнь 2010 г. началось строительство модернизации стоимостью 338 миллионов долларов, направленной на добавление конечной станции, зала D, на противоположном конце ускорителя от трех других залов, а также на удвоение энергии пучка до 12 ГэВ. Одновременно было построено дополнение к испытательной лаборатории (где производятся резонаторы SRF, используемые в CEBAF и других ускорителях, используемых во всем мире).

По состоянию на май 2014 г. В результате модернизации был установлен новый рекорд энергии пучка - 10,5 ГэВ, что позволило доставить луч в зал D.

По состоянию на декабрь 2016 г. Ускоритель CEBAF доставил электроны полной энергии в рамках пусконаладочных работ в рамках текущего проекта модернизации на 12 ГэВ. Операторы ускорителя непрерывного электронного пучка доставили первую партию электронов с энергией 12 ГэВ (12,065 гигаэлектронвольт) в новейший экспериментальный комплекс, зал D.

В сентябре 2017 года было выпущено официальное уведомление Министерства энергетики об официальном одобрении завершения проекта модернизации на энергию 12 ГэВ и начала эксплуатации. К весне 2018 года все четыре исследовательских направления успешно получали лучи и проводили эксперименты. 2 мая 2018 года состоялась церемония открытия модернизации CEBAF на 12 ГэВ.

По состоянию на декабрь 2018 г. , ускоритель CEBAF доставлял электронные лучи во все четыре экспериментальных зала одновременно для обеспечения производства физического качества.

Программа по физике

Лаборатория Джефферсона проводит широкую программу исследований с использованием электромагнитного взаимодействия для изучения структуры нуклона (протонов и нейтронов), образования и распада легких мезонов, а также аспектов взаимодействия нуклонов в атомном ядре. Основными инструментами являются рассеяние электронов, а также создание и использование реальных фотонов высокой энергии. Кроме того, как электронные, так и фотонные пучки можно сделать сильно поляризованными, что позволяет исследовать в исследованиях так называемые спиновые степени свободы.

Четыре экспериментальных зала имеют разные, но пересекающиеся исследовательские цели, но каждый из них оснащен уникальным оборудованием.

Зал А

Соответствующие спектрометры высокого разрешения (HRS) использовались для изучения глубоконеупругого рассеяния электронов. С помощью очень хорошо контролируемых поляризованных электронных пучков было изучено нарушение четности при рассеянии электронов.

Зал Б

Детектор CLAS был основой экспериментальной программы Зала B с 1998 по 2012 год. Существуют физические рабочие группы в области глубоконеупругих взаимодействий, адронной спектроскопии и ядерных взаимодействий. Статью о самом спектрометре и физической программе смотрите по ссылке CLAS . Использовались поляризованные реальные фотоны и электронные пучки. Физические цели включали жидкий водород и дейтерий, а также массивные ядерные материалы.

В эпоху пучков с энергией 12 ГэВ в лаборатории Джефферсона программа Холла B была реструктурирована и включала в себя новый детектор под названием CLAS12, а также несколько других экспериментов с использованием более специализированного оборудования.

Зал С

Множество спектрометров и специализированное оборудование использовались, например, для изучения рассеяния электронов с нарушением четности для измерения слабого заряда протона и образования гиперядерных процессов с помощью электромагнитного взаимодействия.

Зал Д

Этот экспериментальный зал был построен к началу программы по энергии пучка 12 ГэВ, стартовавшей в 2014 году. В этом зале находится эксперимент GlueX , который предназначен для детального картирования спектра легких неароматизированных мезонов в поисках явных глюонных возбуждений в мезонах.

Лазер на свободных электронах

В JLab находится самый мощный в мире перестраиваемый лазер на свободных электронах мощностью более 14 киловатт .

КОДА

Поскольку в CEBAF одновременно проводятся три взаимодополняющих эксперимента, было решено, что три системы сбора данных должны быть максимально похожими, чтобы физики, переходя от одного эксперимента к другому, находили знакомую среду. С этой целью была нанята группа специалистов-физиков, которые сформировали группу разработки сбора данных для разработки общей системы для всех трех залов. CODA , система онлайн-сбора данных CEBAF . Результатом стала

CODA — это набор программных инструментов и рекомендуемого оборудования, которые облегчают создание системы сбора данных для экспериментов по ядерной физике . В экспериментах по физике ядра и элементарных частиц треки частиц оцифровываются системой сбора данных, но детекторы способны генерировать большое количество возможных измерений или «каналов данных».

Обычно АЦП, ВМТ и другая цифровая электроника представляют собой большие печатные платы с разъемами на передней стороне, которые обеспечивают ввод и вывод цифровых сигналов, и разъемом на задней стороне, который подключается к объединительной панели . Группа плат подключается к шасси или « корпусу », который обеспечивает физическую поддержку, питание и охлаждение плат и объединительной платы. Такое расположение позволяет электронику, способную оцифровывать сжать в одном шасси многие сотни каналов.

В системе CODA каждое шасси содержит плату, которая является интеллектуальным контроллером для остальной части шасси. Эта плата, называемая контроллером чтения (ROC), настраивает каждую из плат оцифровки при первом получении данных, считывает данные с дигитайзеров и форматирует данные для последующего анализа.

См. также

• Эффект ЭМС

Внешние ссылки

• Официальный сайт
• Физический отдел лаборатории Джефферсона (включая ссылки на каждый из экспериментальных залов)
• Программа лазеров на свободных электронах
• Модернизация 12 ГэВ
• K-12 естественнонаучное образование