Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона ( TJNAF ), обычно называемый Лабораторией Джефферсона или JLab , является Национальной лабораторией Министерства энергетики США , расположенной в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния . [1]
С 1 июня 2006 года им управляет Jefferson Science Associates, LLC, общество с ограниченной ответственностью, созданное Southeastern Universities Research Association и PAE Applied Technologies. С 2021 года Jefferson Science Association является дочерней компанией Southeastern Universities Research Association, полностью принадлежащей ей. До 1996 года TJNAF был известен как Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF); обычно это название до сих пор используется для главного ускорителя. Основанная в 1984 году, Jefferson Lab насчитывает более 750 сотрудников, и более 2000 ученых со всего мира проводили исследования с использованием этой установки. [2]
Объект был создан в 1984 году (первоначальное финансирование было предоставлено Министерством энергетики ) как Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) Исследовательской ассоциацией юго-восточных университетов; название было изменено на Thomas Jefferson National Accelerator Facility в 1996 году. Полное финансирование строительства было выделено Конгрессом США в 1986 году, и 13 февраля 1987 года началось строительство основного компонента — ускорителя CEBAF. Первый пучок был доставлен в экспериментальную зону 1 июля 1994 года. Проектная энергия пучка 4 ГэВ была достигнута в течение 1995 года. Посвящение лаборатории состоялось 24 мая 1996 года (на этом мероприятии название также было изменено). Полная начальная эксплуатация со всеми тремя начальными экспериментальными зонами в режиме онлайн на проектной энергии была достигнута 19 июня 1998 года. 6 августа 2000 года CEBAF достиг «улучшенной проектной энергии» в 6 ГэВ. В 2001 году начались планы по повышению энергии до 12 ГэВ электронного пучка и планы по строительству четвертой экспериментальной зоны зала. Планы прошли через различные этапы принятия критических решений DOE в десятилетие 2000-х годов, с окончательным принятием DOE в 2008 году и началом строительства модернизации на 12 ГэВ в 2009 году. 18 мая 2012 года оригинальный ускоритель CEBAF на 6 ГэВ был остановлен для замены компонентов ускорителя для модернизации на 12 ГэВ. Было завершено 178 экспериментов с оригинальным CEBAF. [3] [4]
Помимо ускорителя, в лаборатории размещался и продолжает размещаться лазер на свободных электронах (ЛСЭ). Строительство ЛСЭ началось 11 июня 1996 года. Первый свет он получил 17 июня 1998 года. С тех пор ЛСЭ многократно модернизировался, что существенно увеличило его мощность и возможности.
Jefferson Lab также участвовала в строительстве источника нейтронов расщепления (SNS) в Оук-Ридже и его модернизации, а также в электронно-ионном коллайдере в Брукхейвенской национальной лаборатории. Jefferson строит сверхпроводящие ускорители и системы охлаждения гелия для ускорителей DOE вокруг национального лабораторного комплекса.
Основным исследовательским объектом лаборатории является ускоритель CEBAF, который состоит из источника поляризованных электронов и инжектора и пары сверхпроводящих линейных ускорителей RF длиной 1400 м (7/8 мили), соединенных друг с другом двумя дуговыми секциями, содержащими управляющие магниты. Поскольку электронный пучок совершает до пяти последовательных орбит, его энергия увеличивается до максимума в 6 ГэВ (первоначальная машина CEBAF сначала работала в 1995 году при проектной энергии 4 ГэВ, прежде чем достичь «улучшенной проектной энергии» 6 ГэВ в 2000 году; с тех пор установка была модернизирована до энергии 12 ГэВ). Это приводит к конструкции, которая выглядит похожей на гоночную трассу по сравнению с классическими кольцевыми ускорителями, найденными в таких местах, как CERN или Fermilab . Фактически, CEBAF представляет собой линейный ускоритель , похожий на SLAC в Стэнфорде , который был сложен до одной десятой своей обычной длины.
Конструкция CEBAF позволяет электронному пучку быть непрерывным, а не импульсным, типичным для кольцевых ускорителей. (Есть некоторая структура пучка, но импульсы намного короче и расположены ближе друг к другу.) Электронный пучок направляется на три потенциальные цели (см. ниже). Одной из отличительных особенностей Jefferson Lab является непрерывный характер электронного пучка с длиной сгустка менее 1 пикосекунды . Другой особенностью Jefferson Lab является использование технологии сверхпроводящей радиочастоты (SRF), которая использует жидкий гелий для охлаждения ниобия примерно до 4 К (−452,5 °F), устраняя электрическое сопротивление и обеспечивая наиболее эффективную передачу энергии электрону. Для достижения этого в Jefferson Lab находится крупнейший в мире холодильник с жидким гелием, и это было одно из первых крупномасштабных внедрений технологии SRF. Ускоритель построен на глубине 8 метров под поверхностью Земли, или примерно 25 футов, а стенки туннелей ускорителя имеют толщину 2 фута.
Пучок заканчивается в четырех экспериментальных залах, обозначенных как Зал A, Зал B , Зал C и Зал D. Каждый зал содержит 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 , из которых состоят протоны и нейтроны ядра.
С каждым оборотом вокруг ускорителя пучок проходит через каждый из двух ускорителей LINAC , но через другой набор изгибающих магнитов в полукруглых дугах на концах линейных ускорителей. Электроны совершают до пяти проходов через линейные ускорители.
Когда ядро в мишени сталкивается с электроном из пучка, происходит «взаимодействие» или «событие», рассеивающее частицы в зале. Каждый зал содержит массив детекторов частиц , которые отслеживают физические свойства частиц, произведенных событием. Детекторы генерируют электрические импульсы , которые преобразуются в цифровые значения с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП), время-цифровых преобразователей (ВЦП) и счетчиков импульсов (масштабаторов).
Эти цифровые данные собираются и хранятся, чтобы физик мог позже проанализировать данные и реконструировать физику, которая произошла. Система электроники и компьютеров, которая выполняет эту задачу, называется системой сбора данных .
По состоянию на июнь 2010 года [обновлять]началось строительство модернизации стоимостью 338 миллионов долларов для добавления конечной станции, Зала D, на противоположном конце ускорителя от других трех залов, а также для удвоения энергии пучка до 12 ГэВ. Одновременно было построено дополнение к Испытательной лаборатории (где производятся полости SRF, используемые в CEBAF и других ускорителях, используемых во всем мире).
По состоянию на май 2014 года [обновлять]модернизация достигла нового рекорда по энергии пучка в 10,5 ГэВ, доставив пучок в зал D. [5]
По состоянию на декабрь 2016 года [обновлять]ускоритель CEBAF доставил электроны полной энергии в рамках пусконаладочных работ для текущего проекта модернизации 12 ГэВ. Операторы непрерывного ускорителя электронного пучка доставили первую партию электронов 12 ГэВ (12,065 Гигаэлектронвольт) в свой новейший экспериментальный зал комплекса, зал D. [6]
В сентябре 2017 года было выпущено официальное уведомление от DOE об официальном одобрении завершения проекта модернизации 12 ГэВ и начале работы. К весне 2018 года все четыре исследовательских зоны успешно получали пучок и проводили эксперименты. 2 мая 2018 года состоялась церемония посвящения модернизации CEBAF 12 ГэВ. [7]
По состоянию на декабрь 2018 года [обновлять]ускоритель CEBAF одновременно доставлял электронные пучки во все четыре экспериментальных зала для запуска производства физического качества. [8] Техническое полное описание модернизации ускорителя и последующей производительности появилось в 2024 году. [9]
Лаборатория Джефферсона проводит широкую программу исследований с использованием электромагнитного взаимодействия для изучения структуры нуклона (протонов и нейтронов), образования и распада легких мезонов и аспектов взаимодействия нуклонов в атомном ядре. [10] Основными инструментами являются рассеяние электронов и создание и использование высокоэнергетических реальных фотонов. Кроме того, как электронные, так и фотонные пучки могут быть сделаны высокополяризованными, что позволяет исследовать так называемые спиновые степени свободы в исследованиях.
Четыре экспериментальных зала имеют различные, но пересекающиеся исследовательские цели, но в каждом из них установлено уникальное оборудование.
Для изучения глубоконеупругого рассеяния электронов использовались соответствующие спектрометры высокого разрешения (HRS). С использованием очень хорошо контролируемых поляризованных электронных пучков было изучено нарушение четности в электронном рассеянии.
Детектор CLAS был основой экспериментальной программы зала B с 1998 по 2012 год. Существуют рабочие группы по физике в областях глубоконеупругих взаимодействий, адронной спектроскопии и ядерных взаимодействий. См. статью, связанную с самим спектрометром и физической программой 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 Зала B была реструктурирована и включила в себя новый детектор CLAS12, а также несколько других экспериментов с использованием более специализированного оборудования.
Например, для изучения рассеяния электронов с нарушением четности, измерения слабого заряда протона и образования гиперядерных частиц при электромагнитном взаимодействии использовались многочисленные спектрометры и специализированное оборудование.
Этот экспериментальный зал был построен для начала программы по энергии пучка 12 ГэВ, которая стартовала 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.
В JLab установлен самый мощный в мире перестраиваемый лазер на свободных электронах с выходной мощностью более 14 киловатт .
Поскольку CEBAF имеет три взаимодополняющих эксперимента, работающих одновременно, было решено, что три системы сбора данных должны быть максимально похожи, чтобы физики, переходя от одного эксперимента к другому, находили знакомую среду. С этой целью была нанята группа специалистов-физиков, чтобы сформировать группу разработки сбора данных для разработки общей системы для всех трех залов. Результатом стала CODA , система сбора данных CEBAF Online . [11]
CODA — это набор программных инструментов и рекомендуемого оборудования, облегчающий систему сбора данных для экспериментов по ядерной физике . В экспериментах по ядерной физике и физике частиц треки частиц оцифровываются системой сбора данных, но детекторы способны генерировать большое количество возможных измерений или «каналов данных».
Обычно АЦП, ВЦП и другая цифровая электроника представляют собой большие печатные платы с разъемами на переднем крае, которые обеспечивают вход и выход для цифровых сигналов, и разъемом на задней панели, который подключается к задней панели . Группа плат подключается к шасси , или « ящику », который обеспечивает физическую поддержку, питание и охлаждение для плат и задней панели. Такое расположение позволяет сжимать электронику, способную оцифровывать сотни каналов, в одно шасси.
В системе CODA каждое шасси содержит плату, которая является интеллектуальным контроллером для остальной части шасси. Эта плата, называемая ReadOut Controller (ROC), настраивает каждую из плат оцифровки при первом получении данных, считывает данные с оцифровщиков и форматирует данные для последующего анализа.
