Национальная ускорительная лаборатория имени Томаса Джефферсона в Ньюпорт-Ньюс

Введение

Национальная ускорительная лаборатория Томаса Джефферсона (TJNAF), обычно называемая Jefferson Lab или JLab, является Национальной лабораторией Министерства энергетики США, расположенной в Ньюпорте-Ньюс, штат Вирджиния. С 1 июня 2006 года лабораторией управляет компания с ограниченной ответственностью Jefferson Science Associates, LLC, созданная Ассоциацией исследований университетов Юго-Востока и PAE Applied Technologies. С 2021 года Научная ассоциация Джефферсона является полностью дочерней компанией Ассоциации исследований университетов Юго-Востока. До 1996 года TJNAF была известна как Установка ускорителя непрерывного электронного пучка (CEBAF); это название по-прежнему часто используется для обозначения основного ускорителя. Основанная в 1984 году, Jefferson Lab насчитывает более 750 сотрудников, и более 2000 ученых со всего мира провели исследования с использованием оборудования лаборатории.

История

Объект был создан в 1984 году (первоначальное финансирование от Министерства энергетики) как Ускоритель непрерывного электронного пучка (CEBAF) Ассоциацией исследований юго-восточных университетов; в 1996 году название было изменено на Национальный ускоритель имени Томаса Джефферсона. В 1986 году Конгресс США утвердил полное финансирование строительства, и 13 февраля 1987 года началось строительство основного компонента – ускорителя CEBAF. Первый пучок был направлен в экспериментальную зону 1 июля 1994 года. Проектная энергия пучка в 4 ГэВ была достигнута в 1995 году. Торжественное открытие лаборатории состоялось 24 мая 1996 года (на этом мероприятии было объявлено и новое название). 19 июня 1998 года были начаты полноценные операции со всеми тремя первоначальными экспериментальными зонами при проектной энергии. 6 августа 2000 года CEBAF достиг "повышенной проектной энергии" в 6 ГэВ. В 2001 году началось планирование модернизации до 12 ГэВ для электронного пучка и строительства четвертой экспериментальной зоны. Планы прошли через различные этапы принятия решений в Министерстве энергетики в течение 2000-х годов, с окончательным одобрением Министерства энергетики в 2008 году и началом строительства модернизации до 12 ГэВ в 2009 году. 18 мая 2012 года исходный ускоритель CEBAF на 6 ГэВ был остановлен для замены компонентов в рамках модернизации до 12 ГэВ. С использованием исходного CEBAF было выполнено 178 экспериментов. Помимо ускорителя, лаборатория размещает и продолжает размещать прибор – источник свободных электронных лазеров (FEL). Строительство FEL началось 11 июня 1996 года, а 17 июня 1998 года был получен первый лазерный импульс. С тех пор FEL неоднократно модернизировался, значительно увеличивая свою мощность и возможности. Лаборатория Джефферсона также участвовала в строительстве и модернизации источника спалляции нейтронов (SNS) в Оук-Ридже, а также в создании электронно-ионного коллайдера в Национальной лаборатории Брукхейвена. Лаборатория Джефферсона разрабатывает и производит сверхпроводящие ускорители и гелиевые холодильные установки для ускорителей Министерства энергетики по всему национальному лабораторному комплексу.

The facility was established in 1984 (first initial funding by the Department of Energy) as the Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) by the Southeastern Universities Research Association; the name was changed to Thomas Jefferson National Accelerator Facility in 1996. The full funding for construction was appropriated by US Congress in 1986 and on February 13, 1987, the construction of the main component, the CEBAF accelerator began. The first beam was delivered to the experimental area on 1 July 1994. The design energy of 4 GeV for the beam was achieved during the year 1995. The laboratory dedication took place on May 24, 1996 (at this event the name was also changed). Full initial operations with all three initial experiment areas online at the design energy was achieved on June 19, 1998. On August 6, 2000, the CEBAF reached "enhanced design energy" of 6 GeV. In 2001, plans for an energy upgrade to 12 GeV electron beam and plans to construct a fourth experimental hall area started. The plans progressed through various DOE Critical Decision stages in the 2000s decade, with the final DOE acceptance in 2008 and the construction on the 12 GeV upgrade beginning in 2009. May 18, 2012 the original 6 GeV CEBAF accelerator shut down for the replacement of the accelerator components for the 12 GeV upgrade. 178 experiments were completed with the original CEBAF. In addition to the accelerator, the laboratory has housed and continues to house a free electron laser (FEL) instrument. The construction of the FEL started June 11, 1996. It achieved first light on June 17, 1998. Since then, the FEL has been upgraded numerous times, increasing its power and capabilities substantially. Jefferson Lab was also involved in the construction of the Spallation Neutron Source (SNS) in Oak Ridge and its upgrade, and the Electron Ion Collider at Brookhaven National laboratory. Jefferson builds superconducting accelerator and helium refrigeration systems for DOE accelerators around the national laboratory complex.

Ускоритель

Основным исследовательским объектом лаборатории является ускоритель CEBAF, который состоит из поляризованного источника электронов и инжектора, а также пары сверхпроводящих линейных RF-ускорителей длиной 1400 м, соединенных друг с другом двумя дуговыми секциями, содержащими рулевые магниты. По мере того как электронный луч совершает до пяти последовательных оборотов, его энергия увеличивается до максимума 6 ГэВ (первоначальная установка CEBAF впервые заработала в 1995 году при проектной энергии 4 ГэВ, прежде чем достичь «улучшенной проектной энергии» в 6 ГэВ в 2000 году; с тех пор установка была модернизирована до энергии 12 ГэВ). Это приводит к конструкции, напоминающей гоночную трассу, в отличие от классических кольцевых ускорителей, таких как ускорители в CERN или Fermilab. По сути, CEBAF – это линейный ускоритель, подобный SLAC в Стэнфорде, который был свернут до десятой части своей обычной длины. Конструкция CEBAF позволяет электронному лучу быть непрерывным, а не импульсным, как это обычно бывает в кольцевых ускорителях. (Некоторая структура пучка присутствует, но импульсы значительно короче и расположены 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 импульса менее 1 пикосекунды. Другой особенностью является использование лабораторией Джефферсона сверхпроводящей радиочастотной (SRF) технологии, 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 этого в лаборатории Джефферсона находится крупнейший в мире криостат на жидком гелии, и это была одна из первых масштабных реализаций SRF-технологии. Ускоритель построен на глубине 8 метров под поверхностью Земли, или примерно 25 футов, а стены туннелей ускорителя имеют толщину 2 фута. Луч заканчивается в четырех экспериментальных залах: Зал А, Зал Б, Зал В и Зал Г. Каждый зал содержит специализированные спектрометры для регистрации продуктов столкновений между электронным лучом или реальными фотонами и неподвижной мишенью. Это позволяет физикам изучать структуру атомного ядра, в частности, взаимодействие кварков, составляющих протоны и нейтроны ядра. С каждым оборотом вокруг ускорителя луч проходит через каждый из двух линейных ускорителей LINAC, но через разные наборы отклоняющих магнитов в полукруглых дугах на концах линаков. Электроны проходят через линейные ускорители до пяти раз. Когда электрон из луча попадает в ядро мишени, происходит «взаимодействие» или «событие», в результате которого частицы рассеиваются в зале. В каждом зале имеется набор детекторов частиц, которые отслеживают физические свойства частиц, образовавшихся в результате события. Детекторы генерируют электрические импульсы, которые преобразуются в цифровые значения с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП), время-цифровых преобразователей (ТЦП) и счетчиков импульсов (скалеров). Эти цифровые данные собираются и хранятся, чтобы физик мог впоследствии проанализировать их и реконструировать физический процесс. Система электроники и компьютеров, выполняющая эту задачу, называется системой сбора данных.

The laboratory's main research facility is the CEBAF accelerator, which consists of a polarized electron source and injector and a pair of superconducting RF linear accelerators that are 1400 m (7/8 mile) in length and connected to each other by two arc sections that contain steering magnets. As the electron beam makes up to five successive orbits, its energy is increased up to a maximum of 6 GeV (the original CEBAF machine worked first in 1995 at the design energy of 4 GeV before reaching "enhanced design energy" of 6 GeV in 2000; since then the facility has been upgraded into 12 GeV energy). This leads to a design that appears similar to a racetrack when compared to the classical ring shaped accelerators found at sites such as CERN or Fermilab. Effectively, CEBAF is a linear accelerator, similar to SLAC at Stanford, that has been folded up to a tenth of its normal length. The design of CEBAF allows the electron beam to be continuous rather than the pulsed beam typical of ring shaped accelerators. (There is some beam structure, but the pulses are very much shorter and closer together.) The electron beam is directed onto three potential targets (see below). One of the distinguishing features of Jefferson Lab is the continuous nature of the electron beam, with a bunch length of less than 1 picosecond. Another is Jefferson Lab's use of superconducting Radio Frequency (SRF) technology, which uses liquid helium to cool niobium to approximately 4 K (−452.5 °F), removing electrical resistance and allowing the most efficient transfer of energy to an electron. To achieve this, Jefferson Lab houses the world's largest liquid helium refrigerator, and it was one of the first large scale implementations of SRF technology. The accelerator is built 8 meters below the Earth's surface, or approximately 25 feet, and the walls of the accelerator tunnels are 2 feet thick. The beam ends in four experimental halls, labelled Hall A, Hall B, Hall C, and Hall D. Each hall contains specialized spectrometers to record the products of collisions between the electron beam or with real photons and a stationary target. This allows physicists to study the structure of the atomic nucleus, specifically the interaction of the quarks that make up protons and neutrons of the nucleus. With each revolution around the accelerator, the beam passes through each of the two LINAC accelerators, but through a different set of bending magnets in semi circular arcs at the ends of the linacs. The electrons make up to five passes through the linear accelerators. When a nucleus in the target is hit by an electron from the beam, an "interaction", or "event", occurs, scattering particles into the hall. Each hall contains an array of particle detectors that track the physical properties of the particles produced by the event. The detectors generate electrical pulses that are converted into digital values by analog to digital converters (ADCs), time to digital converters (TDCs) and pulse counters (scalers). This digital data is gathered and stored so that the physicist can later analyze the data and reconstruct the physics that occurred. The system of electronics and computers that perform this task is called a data acquisition system.

12 GeV обновление

В 2010 году началось строительство модернизации стоимостью 338 миллионов долларов, включающей добавление конечной станции – зала D – на противоположном конце ускорителя от остальных трех залов, а также увеличение энергии пучка вдвое, до 12 ГэВ. Одновременно велось строительство расширения Испытательной лаборатории (где производятся сверхпроводящие резонаторы (SRF), используемые в CEBAF и других ускорителях по всему миру). К 2014 году модернизация позволила достичь рекордной энергии пучка в 10,5 ГэВ, и пучок был направлен в зал D. Ускоритель CEBAF обеспечил подачу электронов на полную мощность в рамках пуско-наладочных работ по текущему проекту модернизации до 12 ГэВ. Операторы Ускорительного комплекса непрерывного электронного пучка направили первую партию электронов с энергией 12 ГэВ (12,065 гигаэлектронвольт) в новый экспериментальный комплекс – зал D.

В сентябре 2017 года Министерство энергетики США (DOE) выпустило официальное уведомление об официальном одобрении завершения проекта модернизации до 12 ГэВ и начала эксплуатации. К весне 2018 года все четыре исследовательские области успешно получали пучок и проводили эксперименты. 2 мая 2018 года состоялась церемония открытия модернизации CEBAF до 12 ГэВ. Впоследствии ускоритель CEBAF одновременно обеспечивал подачу электронных пучков во все четыре экспериментальных зала для проведения опытов с данными физического качества.

Программа по физике

Лаборатория Джефферсона проводит широкую программу исследований, используя электромагнитное взаимодействие для изучения структуры нуклона (протонов и нейтронов), процессов рождения и распада легких мезонов, а также аспектов взаимодействия нуклонов в атомном ядре. Основными инструментами являются рассеяние электронов и создание и использование высокоэнергетических реальных фотонов. Кроме того, электронные и фотонные пучки могут быть сильно поляризованы, что позволяет исследовать так называемые спиновые степени свободы в ходе экспериментов. Четыре экспериментальных зала имеют различные, но частично совпадающие исследовательские цели и уникальное оборудование в каждом из них.

Зал А

Для изучения глубокого неэластичного рассеяния электронов использовались спектрометры высокого разрешения (HRS). С использованием тщательно контролируемых поляризованных пучков электронов исследовалось нарушение чётности в рассеянии электронов.

Зал Б

Детектор CLAS был основой экспериментальной программы в зале B с 1998 по 2012 год. Существуют физические рабочие группы по направлениям глубоких неупругих взаимодействий, адронной спектроскопии и ядерных взаимодействий. Подробности о самом спектрометре и физической программе можно найти в статье по ссылке CLAS. Использовались поляризованные реальные фотоны и электронные пучки. В качестве мишеней использовались жидкий водород и дейтерий, а также тяжелые ядерные материалы. С началом работы 12-гев пучков в лаборатории Джефферсона программа зала B была реструктурирована и включила новый детектор под названием CLAS12, а также несколько других экспериментов с использованием более специализированного оборудования.

Зал С

Для изучения, например, рассеяния электронов с нарушением чётности для измерения слабого заряда протона и образования гиперядер посредством электромагнитного взаимодействия использовались различные спектрометры и специализированное оборудование.

Зал D

Этот экспериментальный зал был построен для запуска программы работы с пучком энергии 12 ГэВ, начавшейся в 2014 году. В этом зале расположен эксперимент GlueX, предназначенный для детального изучения спектра легких неароматизированных мезонов в поисках явных глюонных возбуждений в мезонах.

Лазер с свободными электронами

В JLab размещен самый мощный в мире настраиваемый лазер на свободных электронах, выдающий мощность более 14 киловатт.

Кода

Поскольку в CEBAF одновременно проводятся три взаимодополняющих эксперимента, было решено, что три системы сбора данных должны быть максимально похожи, чтобы физики, переходя от одного эксперимента к другому, могли работать в привычной среде. С этой целью была нанята группа физиков-специалистов для создания группы разработки систем сбора данных, которая должна была разработать общую систему для всех трех экспериментальных залов. Результатом стала CODA – система онлайн-сбора данных CEBAF. CODA представляет собой набор программных инструментов и рекомендованного оборудования, облегчающего создание системы сбора данных для экспериментов в области ядерной физики. В экспериментах по ядерной и физике частиц траектории частиц оцифровываются системой сбора данных, однако детекторы способны генерировать большое количество возможных измерений, или "каналов данных". Как правило, АЦП, ТДЦ и другая цифровая электроника представляют собой большие платы с разъемами на переднем крае для ввода и вывода цифровых сигналов и разъемом на задней стороне для подключения к материнской плате. Группа плат устанавливается в шасси, или "корпус", которое обеспечивает физическую поддержку, питание и охлаждение плат и материнской платы. Такая конструкция позволяет разместить в одном корпусе электронику, способную оцифровывать сотни каналов. В системе CODA каждое шасси содержит плату, являющуюся интеллектуальным контроллером для остальных плат в корпусе. Эта плата, называемая контроллером ReadOut (ROC), конфигурирует каждую плату оцифровки при первом получении данных, считывает данные с оцифровщиков и форматирует их для последующего анализа.