Thomas Jefferson National Accelerator Facility

"Jlab" omdirigerar hit. För numerisk beräkningsprogramvara, se jLab . För märket för hörlurar och högtalare, se JLab Audio .

Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Motto	Utforska materiens natur
Etablerade	1984 ( 1984 )
Forskningstyp	Kärnfysik
Budget	c. 200 miljoner USD (2010)
Direktör	Stuart Henderson
Personal	675
Plats	Newport News, Virginia , USA
Campus	214 tunnland (87 ha)
Driftsbyrå	Jefferson Science Associates, LLC
Hemsida	www.jlab.org

Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF)

Schematisk över acceleratorn och experimenthallarna efter 12 GeV energiuppgraderingen.
Generella egenskaper
Typ av accelerator	Parade linacs
Stråltyp	elektroner
Måltyp	fast mål
Strålegenskaper
Maximal energi	12 GeV
Maximal ström	85 µA
Fysikaliska egenskaper
Längd	1 400 meter (4 600 fot) per linac
Koordinater
Institution	Jefferson Science Associates, LLC
Datum för operation	1984 - nu

Thomas Jefferson National Accelerator Facility ( TJNAF ), vanligen kallad Jefferson Lab eller JLab , är ett amerikanskt nationellt laboratorium beläget i Newport News, Virginia . Dess uttalade uppdrag är "att tillhandahålla framstående vetenskapliga faciliteter, möjligheter och ledarskap som är avgörande för att upptäcka kärnkraftens grundläggande struktur; att samarbeta i industrin för att tillämpa dess avancerade teknologi; och att tjäna nationen och dess samhällen genom utbildning och offentlig uppsökande verksamhet."

Flygfoto över Jefferson Lab

Sedan 1 juni 2006 drivs det av Jefferson Science Associates, LLC, ett aktiebolag skapat av Southeastern Universities Research Association och PAE Applied Technologies. Fram till 1996 var det känt som Continuous Electron Beam Accelerator Facility ( CEBAF ) ; vanligtvis används detta namn fortfarande för huvudacceleratorn. Jefferson Lab grundades 1984 och sysselsätter mer än 750 personer, och mer än 2 000 forskare från hela världen har utfört forskning med hjälp av anläggningen.

Historia

Anläggningen etablerades 1984 (första inledande finansiering av DOE, Department of Energy) som Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF); namnet ändrades till Thomas Jefferson National Accelerator Facility 1996. Hela finansieringen för konstruktionen anslogs av den amerikanska kongressen 1986 och den 13 februari 1987 påbörjades konstruktionen av huvudkomponenten, CEBAF-acceleratorn. Den första strålen levererades till experimentområdet den 1 juli 1994. Konstruktionsenergin på 4 GeV för strålen uppnåddes under år 1995. Laboratorieinvigningen ägde rum den 24 maj 1996 (vid detta evenemang ändrades även namnet). Fullständiga inledande operationer med alla tre första experimentområdena online vid designenergin uppnåddes den 19 juni 1998. Den 6 augusti 2000 nådde CEBAF "förbättrad designenergi" på 6 GeV. 2001 startade planerna på en energiuppgradering till 12 GeV elektronstråle och planer på att bygga ett fjärde experimenthallsområde. Planerna fortskred genom olika DOE Critical Decision-stadier under 2000-talets decennium, med det slutliga DOE-godkännandet 2008 och konstruktionen av 12 GeV-uppgraderingen som började 2009. 18 maj 2012 stängdes den ursprungliga 6 GeV CEBAF-acceleratorn av för att ersätta acceleratorkomponenterna för 12 GeV-uppgraderingen. 178 experiment genomfördes med den ursprungliga CEBAF.

Förutom acceleratorn har laboratoriet inrymt och fortsätter att inrymma ett frielektronlaserinstrument ( FEL). Konstruktionen av FEL startade 11 juni 1996. Den uppnådde första ljuset den 17 juni 1998. Sedan dess har FEL uppgraderats flera gånger, vilket ökat dess kraft och kapacitet avsevärt.

Jefferson Lab var också involverad i konstruktionen av Spallation Neutron Source (SNS) i Oak Ridge. Jefferson byggde SNS supraledande accelerator och heliumkylsystem. Acceleratorkomponenterna designades och tillverkades 2000–2005.

Accelerator

Laboratoriets huvudsakliga forskningsanläggning är CEBAF-acceleratorn, som består av en polariserad elektronkälla och injektor och ett par supraledande linjära RF-acceleratorer som är 7/8-mile (1400 m) långa och förbundna med varandra med två bågsektioner som innehåller styrmagneter. Eftersom elektronstrålen gör upp till fem på varandra följande omlopp, ökas dess energi upp till maximalt 6 GeV (den ursprungliga CEBAF-maskinen arbetade först 1995 med designenergin 4 GeV innan den nådde "förbättrad designenergi" på 6 GeV 2000 ; sedan dess har anläggningen uppgraderats till 12 GeV energi). Detta leder till en design som liknar en racerbana jämfört med de klassiska ringformade acceleratorerna som finns på platser som CERN eller Fermilab . I själva verket är CEBAF en linjäraccelerator , liknande SLAC på Stanford , som har vikts upp till en tiondel av sin normala längd.

Utformningen av CEBAF tillåter att elektronstrålen är kontinuerlig snarare än den pulsade strålen som är typisk för ringformade acceleratorer. (Det finns en viss strålstruktur, men pulserna är mycket kortare och närmare varandra.) Elektronstrålen riktas mot tre potentiella mål (se nedan). En av de utmärkande egenskaperna hos Jefferson Lab är elektronstrålens kontinuerliga natur, med en grupplängd på mindre än 1 pikosekund . En annan är Jefferson Labs användning av supraledande radiofrekvensteknologi (SRF), som använder flytande helium för att kyla niob till cirka 4 K (−452,5 °F), vilket tar bort elektriskt motstånd och tillåter den mest effektiva överföringen av energi till en elektron. För att uppnå detta har Jefferson Lab världens största kylskåp med flytande helium, och det var en av de första storskaliga implementeringarna av SRF-teknik. Acceleratorn är byggd 8 meter under jordens yta, eller cirka 25 fot, och väggarna i acceleratortunnlarna är 2 fot tjocka.

Strålen slutar i fyra experimenthallar, märkta Hall A, Hall B , Hall C och Hall D. Varje hall innehåller specialiserade spektrometrar för att registrera produkter av kollisioner mellan elektronstrålen eller med verkliga fotoner och ett stationärt mål. Detta gör det möjligt för fysiker att studera strukturen av atomkärnan , särskilt interaktionen mellan kvarkarna som utgör protoner och neutroner i kärnan.

Med varje varv runt acceleratorn passerar strålen genom var och en av de två LINAC- acceleratorerna, men genom en annan uppsättning böjningsmagneter i halvcirkulära bågar vid ändarna av linacerna. Elektronerna gör upp till fem passager genom linjäracceleratorerna.

När en kärna i målet träffas av en elektron från strålen, inträffar en "interaktion", eller "händelse", som sprider partiklar i hallen. Varje hall innehåller en rad partikeldetektorer som spårar de fysiska egenskaperna hos de partiklar som produceras av evenemanget. Detektorerna genererar elektriska pulser som omvandlas till digitala värden av analog-till-digital-omvandlare (ADC), tid till digital-omvandlare (TDC) och pulsräknare (skalare).

Dessa digitala data samlas in och lagras så att fysikern senare kan analysera datan och rekonstruera fysiken som inträffade. Systemet av elektronik och datorer som utför denna uppgift kallas ett datainsamlingssystem .

12 GeV uppgradering

Från och med juni 2010 påbörjades bygget av en uppgradering på 338 miljoner dollar för att lägga till en ändstation, Hall D, på motsatta änden av acceleratorn från de andra tre hallarna, samt för att dubbla strålenergin till 12 GeV. Samtidigt konstruerades ett tillägg till testlabbet (där SRF-hålrummen som används i CEBAF och andra acceleratorer som används över hela världen tillverkas).

Från och med maj 2014 uppnådde uppgraderingen ett nytt rekord för strålenergi, vid 10,5 GeV, och levererade strålen till Hall D.

Från och med december 2016 levererade CEBAF-acceleratorn fullenergielektroner som en del av driftsättningsaktiviteterna för det pågående 12 GeV Upgrade-projektet. Operatörer av Continuous Electron Beam Accelerator Facility levererade den första satsen med 12 GeV-elektroner (12.065 Giga elektronvolt) till dess nyaste experimenthallskomplex, Hall D.

I september 2017 utfärdades det officiella meddelandet från DOE om det formella godkännandet av 12 GeV-uppgraderingsprojektets slutförande och driftstart. Under våren 2018 hade alla fyra forskningsområden framgångsrikt tagit emot strålar och utfört experiment. Den 2 maj 2018 ägde CEBAF 12 GeV Upgrade Dedication Ceremony rum.

Från och med december 2018 levererade CEBAF-acceleratorn elektronstrålar till alla fyra experimenthallarna samtidigt för produktion av fysikkvalitet.

Fysik program

Jefferson Lab bedriver ett brett forskningsprogram som använder den elektromagnetiska interaktionen för att undersöka strukturen av nukleonen (protoner och neutroner), produktionen och sönderfallet av lätta mesoner och aspekter av interaktionen mellan nukleoner i atomkärnan. De huvudsakliga verktygen är spridningen av elektroner och skapandet och utnyttjandet av högenergi verkliga fotoner. Dessutom kan både elektron- och fotonstrålar göras högpolariserade, vilket möjliggör utforskning av så kallade spinnfrihetsgrader i undersökningar.

De fyra experimenthallarna har distinkta men överlappande forskningsmål, men med instrumentering som är unik för var och en.

Hall A

Matchande högupplösta spektrometrar (HRS) har använts för att studera djup-oelastisk elektronspridning. Genom att använda mycket väl kontrollerade polariserade elektronstrålar har paritetsöverträdelse i elektronspridning studerats.

Hall B

CLAS- detektorn var stöttepelaren i Hall B-experimentprogrammet från 1998 till 2012. Det finns fysikarbetsgrupper inom områdena Deep-Inelastic Interactions, Hadron Spectroscopy och Nuclear Interactions. Se artikeln relaterad till själva spektrometern och fysikprogrammet på länken CLAS . Polariserade verkliga fotoner och elektronstrålar användes. Fysikmål inkluderade flytande väte och deuterium, såväl som massiva kärnmaterial.

I eran med 12 GeV-strålar vid Jefferson Lab har Hall B-programmet omstrukturerats för att inkludera en ny detektor som heter CLAS12, såväl som flera andra experiment med mer specialiserad hårdvara.

Hall C

Flera spektrometrar och specialiserad utrustning har använts för att studera till exempel paritetsöverträdande elektronspridning för att mäta protonens svaga laddning och hypernukleär produktion med den elektromagnetiska interaktionen.

Hall D

Denna experimenthall byggdes för början av 12 GeV strålenergiprogrammet som startade 2014. Denna hall inrymmer GlueX -experimentet, som är designat för att kartlägga det lätta smaklösa mesonspektrumet i detalj i sökandet efter explicita gluoniska excitationer i mesoner.

Gratis elektronlaser

JLab har världens mest kraftfulla avstämbara frielektronlaser, med en effekt på över 14 kilowatt .

CODA

Eftersom CEBAF har tre kompletterande experiment som körs samtidigt, bestämdes det att de tre datainsamlingssystemen skulle vara så lika som möjligt, så att fysiker som flyttar från ett experiment till ett annat skulle hitta en bekant miljö. För det ändamålet anställdes en grupp specialistfysiker för att bilda en utvecklingsgrupp för datainsamling för att utveckla ett gemensamt system för alla tre hallarna. CODA , CEBAFs onlinedatainsamlingssystem , blev resultatet.

CODA är en uppsättning mjukvaruverktyg och rekommenderad hårdvara som underlättar ett datainsamlingssystem för kärnfysikexperiment . I kärn- och partikelfysikexperiment digitaliseras partikelspåren av datainsamlingssystemet, men detektorerna är kapabla att generera ett stort antal möjliga mätningar, eller "datakanaler".

Vanligtvis är ADC, TDC och annan digital elektronik stora kretskort med kontakter i framkanten som ger in- och utsignaler för digitala signaler, och en kontakt på baksidan som ansluts till ett bakplan . En grupp kort är anslutna till ett chassi , eller " låda ", som ger fysiskt stöd, kraft och kylning för korten och bakplanet. Detta arrangemang gör att elektronik som kan digitalisera många hundra kanaler kan komprimeras till ett enda chassi.

I CODA-systemet innehåller varje chassi ett kort som är en intelligent styrenhet för resten av chassit. Detta kort, som kallas en ReadOut Controller (ROC), konfigurerar vart och ett av digitaliseringskorten vid första mottagning av data, läser data från digitaliserare och formaterar data för senare analys.

Se även

• EMC-effekt

externa länkar

• Officiell hemsida
• Physics Division på Jefferson Lab (inkluderar länkar till var och en av experimenthallarna)
• Free-Electron Laser Program
• 12 GeV uppgradering
• K-12 naturvetenskaplig utbildning