Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisi

Hızlandırıcı

Laboratuvarın ana araştırma tesisi, polarize elektron kaynağı ve enjektör ile bir çift 7/8 mil (1400 m) uzunluğunda süper iletken RF lineer hızlandırıcıdan oluşan CEBAF hızlandırıcısıdır. İki doğrusal hızlandırıcının uçları, elektron demetini bir yay şeklinde büken mıknatıslara sahip iki ark bölümü ile birbirine bağlanmıştır. Yani, ışın yolu yarış pisti şeklinde bir ovaldir. (CERN veya Fermilab gibi çoğu hızlandırıcı, daire boyunca yayılan elektronları hızlandırmak için birçok kısa odacıklı dairesel bir yola sahiptir). Elektron demeti birbirini takip eden beş yörüngeye girdikçe, enerjisi maksimum 6 GeV'e kadar artar. CEBAF, Stanford'daki SLAC gibi normal uzunluğunun onda birine kadar katlanmış doğrusal bir hızlandırıcıdır (LINAC). Sanki 7,8 mil uzunluğunda bir doğrusal hızlandırıcı gibi davranır.

CEBAF'ın tasarımı, elektron demetinin halka şeklindeki hızlandırıcıların tipik darbeli demeti yerine sürekli olmasını sağlar. (Bir miktar ışın yapısı vardır ancak darbeler çok daha kısa ve birbirine yakındır). Elektron ışını üç potansiyel hedefe yönlendirilir (aşağıya bakınız). JLab'ın ayırt edici özelliklerinden biri, 1 pikosaniyeden daha kısa bir demet uzunluğuna sahip elektron demetinin sürekli doğasıdır. Bir diğeri ise JLab'ın niyobyumu yaklaşık 4 K'ye (-452,5°F) soğutmak için sıvı helyum kullanan, elektrik direncini ortadan kaldıran ve enerjinin bir elektrona en verimli şekilde aktarılmasını sağlayan süper iletken RF (SRF) teknolojisini kullanmasıdır. Bunu başarmak için JLab dünyanın en büyük sıvı helyum buzdolabını kullanmaktadır ve SRF teknolojisinin ilk büyük ölçekli uygulayıcılarından biridir. Hızlandırıcı, Dünya yüzeyinin 8 metre ya da yaklaşık 25 fit altına inşa edilmiştir ve hızlandırıcı tünellerinin duvarları 2 fit kalınlığındadır.

Her bir salonda elektron ışını ile sabit bir hedef arasındaki çarpışmaların sonuçlarını kaydetmek için benzersiz bir spektrometre bulunmaktadır. Bu, fizikçilerin atom çekirdeğinin yapısını, özellikle de çekirdeğin proton ve nötronlarını oluşturan kuarkların etkileşimini incelemelerine olanak tanır.

Parçacık davranışı

Döngü etrafındaki her seferinde, ışın iki LINAC hızlandırıcısının her birinden geçer, ancak farklı bir bükme mıknatısı setinden geçer. (Her set farklı bir ışın hızını idare edecek şekilde tasarlanmıştır.) Elektronlar LINAC hızlandırıcılarından en fazla beş geçiş yapar.

Çarpışma olayı

Hedefteki bir çekirdeğe ışından gelen bir elektron çarptığında, bir "etkileşim" veya "olay" meydana gelir ve parçacıklar salona saçılır. Her salon, olay tarafından üretilen parçacıkların fiziksel özelliklerini izleyen bir dizi parçacık dedektörü içerir. Dedektörler, analogdan dijitale dönüştürücüler (ADC'ler), zamandan dijitale dönüştürücüler (TDC'ler) ve darbe sayıcılar (ölçekleyiciler) tarafından dijital değerlere dönüştürülen elektrik darbeleri üretir.

Bu dijital veriler, fizikçinin daha sonra verileri analiz edebilmesi ve meydana gelen fiziği yeniden yapılandırabilmesi için toplanmalı ve saklanmalıdır. Bu görevi yerine getiren elektronik ve bilgisayar sistemine veri toplama sistemi denir.

12 GeV yükseltme

Haziran 2010 itibariyle, hızlandırıcının diğer üç salonunun karşı ucunda D Salonu adında ek bir son istasyonun inşasına ve ışın enerjisini iki katına çıkararak 12 GeV'e yükselten bir yükseltmeye başlanmıştır. Aynı zamanda, Test Laboratuarına (CEBAF ve dünya çapında kullanılan diğer hızlandırıcılarda kullanılan SRF kavitelerinin üretildiği yer) bir ek inşa edilmektedir.

12GeV yükseltmesi, şu anda yapım aşamasında.

Serbest elektron lazeri

JLab, 14 kilowatt'ın üzerindeki çıkışıyla dünyanın en güçlü ayarlanabilir serbest elektron lazerine ev sahipliği yapmaktadır. Birleşik Devletler Donanması, füzeleri vurabilecek bir lazer geliştirmek için bu araştırmayı finanse etmektedir. Laboratuvar gizli askeri araştırmalar yaptığı için, iki yılda bir düzenlenen bir açık ev dışında halka kapalıdır.

JLab serbest elektron lazeri, enerji geri kazanımlı bir LINAC kullanır. Elektronlar doğrusal bir hızlandırıcıya enjekte edilir. Hızlı hareket eden elektronlar daha sonra parlak bir lazer ışık demeti üreten bir wiggler'dan geçer. Elektronlar daha sonra yakalanır ve LINAC'ın enjeksiyon ucuna geri yönlendirilir, burada enerjilerinin çoğunu işlemi tekrarlamak için yeni bir elektron grubuna aktarırlar. Elektronları ve enerjilerinin çoğunu yeniden kullanarak, serbest elektron lazerinin çalışması için daha az elektrik gerekir. JLab, ultravoliet ışık üreten ilk enerji geri kazanımlı LINAC'tır. Cornell Üniversitesi şimdi X-ışınları üretmek için bir tane inşa etmeye çalışıyor.

Serbest elektron lazerinin şematik diyagramı

CODA

CEBAF'ta birbirini tamamlayan üç deney aynı anda yürütüldüğünden, bir deneyden diğerine geçen fizikçilerin tanıdık bir ortam bulabilmeleri için üç veri toplama sisteminin mümkün olduğunca benzer olmasına karar verildi. Bu amaçla, her üç salon için ortak bir sistem geliştirmek üzere bir veri toplama geliştirme grubu oluşturmak için bir grup uzman fizikçi işe alındı. CEBAF Çevrimiçi Veri Toplama sistemi olan CODA bunun sonucuydu [1].

Açıklama

CODA, nükleer fizik deneyleri için bir veri toplama sistemi oluşturmaya yardımcı olan bir dizi yazılım aracı ve önerilen donanımdır. Nükleer ve parçacık fiziği deneylerinde, parçacık izleri veri toplama sistemi tarafından sayısallaştırılır, ancak dedektörler çok sayıda olası ölçüm veya "veri kanalı" üretebilir.

ADC, TDC ve diğer dijital elektronikler tipik olarak ön kenarında dijital sinyaller için giriş ve çıkış sağlayan konektörler ve arka tarafta bir arka panele takılan bir konektör bulunan büyük devre kartlarıdır. Bir grup kart, kartlar ve arka panel için fiziksel destek, güç ve soğutma sağlayan bir şasiye veya "kasaya" takılır. Bu düzenleme, yüzlerce kanalı sayısallaştırabilen elektronik aksamın tek bir kasaya sığmasını sağlar.

CODA sisteminde her şasi, şasinin geri kalanı için akıllı bir kontrolör olan bir kart içerir. ReadOut Controller (ROC) adı verilen bu kart, verileri ilk aldığında sayısallaştırma kartlarının her birini yapılandırır, verileri sayısallaştırıcılardan okur ve verileri daha sonra analiz etmek üzere biçimlendirir.