Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Συντεταγμένες: 37°05′41″N 76°28′54″W / 37.09472°N 76.48167°W / 37.09472; -76.48167

Το Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), κοινώς Jefferson Lab ή JLab, είναι ένα εθνικό εργαστήριο των ΗΠΑ στο Newport News της Virginia. Βρίσκεται κοντά στην έξοδο 256 του Interstate 64. Από την 1η Ιουνίου 2006, λειτουργεί από την Jefferson Science Associates, LLC, μια κοινοπραξία μεταξύ της Southeastern Universities Research Association, Inc. και της CSC Applied Technologies, LLC. Μέχρι το 1996 ήταν γνωστός ως Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF). Αυτό το όνομα χρησιμοποιείται ακόμη συχνά για τον κύριο επιταχυντή.

Η JLab ιδρύθηκε το 1984 και απασχολεί πάνω από 675 άτομα. Πάνω από 2.000 επιστήμονες από όλο τον κόσμο έχουν διεξάγει έρευνα χρησιμοποιώντας τις εγκαταστάσεις του. Αποστολή του είναι "να παρέχει πρωτοποριακές επιστημονικές εγκαταστάσεις, ευκαιρίες και ηγεσία που είναι απαραίτητες για την ανακάλυψη της θεμελιώδους δομής της πυρηνικής ύλης- να συνεργάζεται με τη βιομηχανία για την εφαρμογή της προηγμένης τεχνολογίας του- και να εξυπηρετεί το έθνος και τις κοινότητές του μέσω της εκπαίδευσης και της ενημέρωσης του κοινού".

Η εγκατάσταση ανακατασκευάζεται για να αυξηθεί η ενέργειά της από 6 GeV σε 12 GeV. Για να γίνει αυτό, στον επιταχυντή προστίθενται ισχυρότεροι μαγνήτες και τροφοδοτικά. Επίσης, θα προστεθεί μια νέα πειραματική αίθουσα. Ο CEBAF κλείνει από τον Μάιο έως τον Δεκέμβριο του 2011 για την εγκατάσταση και η κατασκευή θα ολοκληρωθεί το 2013. Η πλήρης λειτουργία του θα ξεκινήσει το 2015.

Αεροφωτογραφία του εργαστηρίου Jefferson.Zoom
Αεροφωτογραφία του εργαστηρίου Jefferson.

Επιταχυντής

Η κύρια ερευνητική εγκατάσταση του εργαστηρίου είναι ο επιταχυντής CEBAF, ο οποίος αποτελείται από μια πηγή και έναν εγχυτήρα πολωμένων ηλεκτρονίων και ένα ζεύγος υπεραγώγιμων γραμμικών επιταχυντών RF μήκους 1.400 μέτρων. Τα άκρα των δύο γραμμικών επιταχυντών συνδέονται μεταξύ τους με δύο τμήματα τόξου με μαγνήτες που κάμπτουν τη δέσμη ηλεκτρονίων σε τόξο. Έτσι, η διαδρομή της δέσμης είναι οβάλ σε σχήμα πίστας αγώνων. (Οι περισσότεροι επιταχυντές, όπως το CERN ή το Fermilab, έχουν κυκλική διαδρομή με πολλούς μικρούς θαλάμους για να επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια που διαδίδονται κατά μήκος του κύκλου). Καθώς η δέσμη ηλεκτρονίων πραγματοποιεί έως και πέντε διαδοχικές τροχιές, η ενέργειά της αυξάνεται μέχρι το μέγιστο των 6 GeV. Ουσιαστικά, ο CEBAF είναι ένας γραμμικός επιταχυντής (LINAC), όπως ο SLAC στο Stanford, που έχει διπλωθεί στο ένα δέκατο του κανονικού του μήκους. Λειτουργεί σαν να ήταν ένας γραμμικός επιταχυντής μήκους 7,8 μιλίων.

Ο σχεδιασμός του CEBAF επιτρέπει στη δέσμη ηλεκτρονίων να είναι συνεχής και όχι η παλμική δέσμη που είναι χαρακτηριστική των επιταχυντών δακτυλιοειδούς σχήματος. (Υπάρχει κάποια δομή της δέσμης, αλλά οι παλμοί είναι πολύ μικρότεροι και πιο κοντά μεταξύ τους). Η δέσμη ηλεκτρονίων κατευθύνεται σε τρεις πιθανούς στόχους (βλέπε παρακάτω). Ένα από τα διακριτικά χαρακτηριστικά του JLab είναι η συνεχής φύση της δέσμης ηλεκτρονίων, με μήκος δέσμης μικρότερο από 1 πικοδευτερόλεπτο. Ένα άλλο είναι η χρήση από το JLab της τεχνολογίας υπεραγώγιμων RF (SRF), η οποία χρησιμοποιεί υγρό ήλιο για να ψύξει το νιόβιο σε περίπου 4 Κ (-452,5°F), αφαιρώντας την ηλεκτρική αντίσταση και επιτρέποντας την πιο αποτελεσματική μεταφορά ενέργειας σε ένα ηλεκτρόνιο. Για να το επιτύχει αυτό, το JLab χρησιμοποιεί το μεγαλύτερο ψυγείο υγρού ηλίου στον κόσμο και ήταν ένας από τους πρώτους φορείς υλοποίησης της τεχνολογίας SRF σε μεγάλη κλίμακα. Ο επιταχυντής είναι χτισμένος 8 μέτρα, ή περίπου 25 πόδια, κάτω από την επιφάνεια της Γης, και τα τοιχώματα των σηράγγων του επιταχυντή έχουν πάχος 2 πόδια.

Η δέσμη καταλήγει σε τρεις πειραματικές αίθουσες, που ονομάζονται αίθουσα Α, αίθουσα Β και αίθουσα Γ. Κάθε αίθουσα περιέχει ένα μοναδικό φασματόμετρο για την καταγραφή των αποτελεσμάτων των συγκρούσεων μεταξύ της δέσμης ηλεκτρονίων και ενός σταθερού στόχου. Αυτό επιτρέπει στους φυσικούς να μελετήσουν τη δομή του ατομικού πυρήνα, συγκεκριμένα την αλληλεπίδραση των κουάρκ που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα.

Συμπεριφορά σωματιδίων

Κάθε φορά που κάνει το γύρο του βρόχου, η δέσμη περνάει μέσα από κάθε έναν από τους δύο επιταχυντές LINAC, αλλά μέσα από ένα διαφορετικό σύνολο μαγνητών κάμψης. (Κάθε σετ έχει σχεδιαστεί για να διαχειρίζεται διαφορετική ταχύτητα δέσμης.) Τα ηλεκτρόνια κάνουν έως και πέντε περάσματα από τους επιταχυντές LINAC.

Συμβάν σύγκρουσης

Όταν ένας πυρήνας του στόχου χτυπηθεί από ένα ηλεκτρόνιο της δέσμης, συμβαίνει μια "αλληλεπίδραση" ή ένα "συμβάν", το οποίο διασκορπίζει σωματίδια στην αίθουσα. Κάθε αίθουσα περιέχει μια συστοιχία ανιχνευτών σωματιδίων που παρακολουθούν τις φυσικές ιδιότητες των σωματιδίων που παράγονται από το συμβάν. Οι ανιχνευτές παράγουν ηλεκτρικούς παλμούς που μετατρέπονται σε ψηφιακές τιμές από αναλογικούς σε ψηφιακούς μετατροπείς (ADC), μετατροπείς χρόνου σε ψηφιακούς (TDC) και μετρητές παλμών (scalers).

Αυτά τα ψηφιακά δεδομένα πρέπει να συγκεντρωθούν και να αποθηκευτούν έτσι ώστε ο φυσικός να μπορεί αργότερα να αναλύσει τα δεδομένα και να ανακατασκευάσει τη φυσική που συνέβη. Το σύστημα ηλεκτρονικών και υπολογιστών που εκτελεί αυτό το έργο ονομάζεται σύστημα συλλογής δεδομένων.

Αναβάθμιση 12 GeV

Από τον Ιούνιο του 2010, έχει αρχίσει η κατασκευή ενός πρόσθετου τελικού σταθμού, της αίθουσας D, στο αντίθετο άκρο του επιταχυντή από τις άλλες τρεις αίθουσες, καθώς και μια αναβάθμιση που διπλασιάζει την ενέργεια της δέσμης στα 12 GeV. Ταυτόχρονα, κατασκευάζεται μια προσθήκη στο εργαστήριο δοκιμών (όπου κατασκευάζονται οι κοιλότητες SRF που χρησιμοποιούνται στον CEBAF και σε άλλους επιταχυντές που χρησιμοποιούνται παγκοσμίως).

Αναβάθμιση 12GeV, υπό κατασκευή.Zoom
Αναβάθμιση 12GeV, υπό κατασκευή.

Λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων

Το JLab στεγάζει το ισχυρότερο συντονιζόμενο λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων στον κόσμο, με ισχύ πάνω από 14 κιλοβάτ. Το Πολεμικό Ναυτικό των Ηνωμένων Πολιτειών χρηματοδοτεί αυτή την έρευνα για την ανάπτυξη ενός λέιζερ που θα μπορούσε να καταρρίψει πυραύλους. Επειδή το εργαστήριο διεξάγει απόρρητη στρατιωτική έρευνα, είναι κλειστό για το κοινό, εκτός από μια ανοιχτή εκδήλωση που πραγματοποιείται μία φορά κάθε δύο χρόνια.

Το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων του JLab χρησιμοποιεί ένα LINAC ανάκτησης ενέργειας. Τα ηλεκτρόνια εγχέονται σε γραμμικό επιταχυντή. Τα ταχέως κινούμενα ηλεκτρόνια περνούν στη συνέχεια μέσα από ένα wiggler που παράγει μια φωτεινή δέσμη φωτός λέιζερ. Στη συνέχεια, τα ηλεκτρόνια συλλαμβάνονται και κατευθύνονται πίσω στο άκρο έγχυσης του LINAC, όπου μεταφέρουν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους σε μια νέα δέσμη ηλεκτρονίων για να επαναλάβουν τη διαδικασία. Επαναχρησιμοποιώντας τα ηλεκτρόνια και το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους, το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων απαιτεί λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια για να λειτουργήσει. Το JLab είναι το πρώτο LINAC ανάκτησης ενέργειας που παράγει υπερηχητικό φως. Το Πανεπιστήμιο Cornell προσπαθεί τώρα να κατασκευάσει ένα για την παραγωγή ακτίνων Χ.

Σχηματικό διάγραμμα ενός λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίωνZoom
Σχηματικό διάγραμμα ενός λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων

CODA

Δεδομένου ότι το CEBAF διαθέτει τρία συμπληρωματικά πειράματα που εκτελούνται ταυτόχρονα, αποφασίστηκε ότι τα τρία συστήματα συλλογής δεδομένων θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο παρόμοια, ώστε οι φυσικοί που μετακινούνται από το ένα πείραμα στο άλλο να βρίσκουν ένα οικείο περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό, προσλήφθηκε μια ομάδα εξειδικευμένων φυσικών για να σχηματίσει μια ομάδα ανάπτυξης της απόκτησης δεδομένων για να αναπτύξει ένα κοινό σύστημα και για τις τρεις αίθουσες. Το αποτέλεσμα ήταν το CODA, το ηλεκτρονικό σύστημα συλλογής δεδομένων CEBAF [1].

Περιγραφή

Το CODA είναι ένα σύνολο εργαλείων λογισμικού και συνιστώμενου υλικού που συμβάλλει στη δημιουργία ενός συστήματος συλλογής δεδομένων για πειράματα πυρηνικής φυσικής. Στα πειράματα πυρηνικής και σωματιδιακής φυσικής, οι τροχιές των σωματιδίων ψηφιοποιούνται από το σύστημα συλλογής δεδομένων, αλλά οι ανιχνευτές είναι σε θέση να παράγουν μεγάλο αριθμό πιθανών μετρήσεων ή "καναλιών δεδομένων".

Ο ADC, ο TDC και άλλα ψηφιακά ηλεκτρονικά στοιχεία είναι συνήθως μεγάλες πλακέτες κυκλωμάτων με συνδετήρες στο μπροστινό άκρο που παρέχουν είσοδο και έξοδο για ψηφιακά σήματα και έναν συνδετήρα στο πίσω μέρος που συνδέεται σε ένα backplane. Μια ομάδα πλακετών συνδέεται σε ένα πλαίσιο ή "κιβώτιο", το οποίο παρέχει φυσική υποστήριξη, τροφοδοσία και ψύξη για τις πλακέτες και το backplane. Αυτή η διάταξη επιτρέπει στα ηλεκτρονικά που μπορούν να ψηφιοποιήσουν πολλές εκατοντάδες κανάλια να χωρέσουν σε ένα μόνο πλαίσιο.

Στο σύστημα CODA, κάθε πλαίσιο περιέχει μια πλακέτα που είναι ένας έξυπνος ελεγκτής για τα υπόλοιπα πλαίσια. Αυτή η πλακέτα, που ονομάζεται ελεγκτής ανάγνωσης (ROC), διαμορφώνει κάθε μία από τις πλακέτες ψηφιοποίησης κατά την πρώτη λήψη δεδομένων, διαβάζει τα δεδομένα από τους ψηφιοποιητές και μορφοποιεί τα δεδομένα για μεταγενέστερη ανάλυση.

Ερωτήσεις και απαντήσεις

Ερ: Ποιο είναι το όνομα του εθνικού εργαστηρίου των ΗΠΑ στο Νιούπορτ Νιους της Βιρτζίνια;


A: Το εθνικό εργαστήριο των ΗΠΑ στο Νιούπορτ Νιους της Βιρτζίνια ονομάζεται Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), το οποίο συνήθως αναφέρεται ως Jefferson Lab ή JLab.

Ε: Ποιος λειτουργεί το TJNAF;


Α: Το TJNAF λειτουργεί από την Jefferson Science Associates, LLC, μια κοινοπραξία μεταξύ της Southeastern Universities Research Association, Inc. και της CSC Applied Technologies, LLC.

Ε: Πόσα άτομα απασχολεί το JLab;


Α: Το JLab απασχολεί πάνω από 675 άτομα.

Ε: Πόσοι επιστήμονες έχουν διεξάγει έρευνα χρησιμοποιώντας την εγκατάσταση;


Α: Πάνω από 2.000 επιστήμονες από όλο τον κόσμο έχουν διεξάγει έρευνα χρησιμοποιώντας την εγκατάσταση.

Ε: Ποια είναι η αποστολή του TJNAF;


Α: Η αποστολή του TJNAF είναι "να παρέχει πρωτοποριακές επιστημονικές εγκαταστάσεις, ευκαιρίες και ηγεσία που είναι απαραίτητες για την ανακάλυψη της θεμελιώδους δομής της πυρηνικής ύλης- να συνεργάζεται με τη βιομηχανία για την εφαρμογή της προηγμένης τεχνολογίας της- και να εξυπηρετεί το έθνος και τις κοινότητές του μέσω της εκπαίδευσης και της ενημέρωσης του κοινού".

Ερ: Ποιες αναβαθμίσεις γίνονται για την αύξηση της ενέργειας από 6 GeV σε 12 GeV;


Α: Για την αύξηση της ενέργειας από τα 6 GeV στα 12 GeV προστίθενται ισχυρότεροι μαγνήτες και τροφοδοτικά στον επιταχυντή και θα προστεθεί μια νέα πειραματική αίθουσα.

Ερ: Πότε θα αρχίσει η πλήρης λειτουργία μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής;


Α: Η πλήρης λειτουργία θα αρχίσει το 2015, αφού η κατασκευή έχει ολοκληρωθεί το 2013.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3