Acelerador Nacional Thomas Jefferson

Acelerador

A principal instalação de pesquisa do laboratório é o acelerador CEBAF, que consiste de uma fonte e injetor de elétrons polarizados e um par de aceleradores lineares supercondutores de RF de 7/8 milhas (1400 m) de comprimento. As extremidades dos dois aceleradores lineares estão ligadas entre si por duas seções de arco com ímãs que dobram o feixe de elétrons em um arco. Portanto, o trajeto do feixe é oval em forma de corrida. (A maioria dos aceleradores, como o CERN ou Fermilab, tem uma trajetória circular com muitas câmaras curtas para acelerar os elétrons espalhados ao longo do círculo). Como o feixe de elétrons compõe até cinco órbitas sucessivas, sua energia é aumentada até um máximo de 6 GeV. Com efeito, o CEBAF é um acelerador linear (LINAC), como o SLAC em Stanford, que foi dobrado até um décimo de seu comprimento normal. Ele age como se fosse um acelerador linear de 7,8 milhas de comprimento.

O projeto do CEBAF permite que o feixe de elétrons seja contínuo em vez do feixe pulsado típico dos aceleradores em forma de anel. (Há alguma estrutura de feixe, mas os pulsos são muito mais curtos e próximos uns dos outros). O feixe de elétron é direcionado para três alvos potenciais (ver abaixo). Uma das características distintivas do JLab é a natureza contínua do feixe de elétrons, com um comprimento de feixe de menos de 1 picossegundo. Outra é o uso pela JLab da tecnologia RF (SRF) supercondutora, que usa hélio líquido para resfriar nióbio a aproximadamente 4 K (-452,5°F), removendo a resistência elétrica e permitindo a transferência mais eficiente de energia para um elétron. Para conseguir isto, o JLab utiliza o maior refrigerador de hélio líquido do mundo, e foi um dos primeiros implementadores em larga escala da tecnologia SRF. O acelerador é construído 8 metros, ou aproximadamente 25 pés, abaixo da superfície da Terra, e as paredes dos túneis do acelerador têm 2 pés de espessura.

O feixe termina em três salas experimentais, chamadas Hall A, Hall B e Hall C. Cada sala contém um espectrômetro único para registrar os resultados de colisões entre o feixe de elétrons e um alvo estacionário. Isto permite aos físicos estudar a estrutura do núcleo atômico, especificamente a interação dos quarks que compõem os prótons e nêutrons do núcleo.

Comportamento das partículas

Cada vez ao redor do laço, o feixe passa por cada um dos dois aceleradores LINAC, mas através de um conjunto diferente de ímãs de dobra. (Cada conjunto é projetado para lidar com uma velocidade de feixe diferente.) Os elétrons compõem até cinco passagens através dos aceleradores LINAC.

Evento de colisão

Quando um núcleo no alvo é atingido por um elétron do feixe, ocorre uma "interação", ou "evento", espalhando partículas para dentro do salão. Cada sala contém um conjunto de detectores de partículas que rastreiam as propriedades físicas das partículas produzidas pelo evento. Os detectores geram pulsos elétricos que são convertidos em valores digitais por conversores analógicos para digitais (ADCs), tempo para conversores digitais (TDCs) e contadores de pulsos (escaladores).

Estes dados digitais devem ser coletados e armazenados para que o físico possa mais tarde analisar os dados e reconstruir a física que ocorreu. O sistema de eletrônica e computadores que realizam esta tarefa é chamado de sistema de aquisição de dados.

12 Upgrade GeV

A partir de junho de 2010, foi iniciada a construção de uma estação final adicional, o salão D, na extremidade oposta do acelerador dos outros três salões, bem como uma atualização que duplica a energia do feixe para 12 GeV. Paralelamente, está sendo construído um laboratório de testes (onde são fabricadas as cavidades SRF utilizadas no CEBAF e outros aceleradores utilizados em todo o mundo).

12GeV upgrade, atualmente em construção.

Laser livre de elétrons

O JLab abriga o laser de elétron livre de sintonia mais potente do mundo, com uma potência de mais de 14 kilowatts. A Marinha dos Estados Unidos financia esta pesquisa para desenvolver um laser que possa abater mísseis. Como o laboratório faz pesquisas militares classificadas, ele é fechado ao público, exceto para uma casa aberta realizada uma vez a cada dois anos.

O laser JLab Free Electron utiliza um LINAC de recuperação de energia. Os elétrons são injetados em um acelerador linear. Os elétrons de movimento rápido passam então através de um feixe de luz laser brilhante. Os elétrons são então capturados e conduzidos de volta ao final da injeção do LINAC, onde transferem a maior parte de sua energia para um novo lote de elétrons para repetir o processo. Ao reutilizar os elétrons e a maior parte de sua energia, o laser de elétrons livres requer menos eletricidade para funcionar. O JLab é o primeiro LINAC de recuperação de energia a produzir luz ultravoliet. A Universidade Cornell está agora tentando construir um para produzir raios X.

Diagrama esquemático de um laser de elétron livre

CODA

Uma vez que o CEBAF tem três experimentos complementares funcionando simultaneamente, foi decidido que os três sistemas de aquisição de dados deveriam ser tão similares quanto possível, para que os físicos que se deslocassem de um experimento para outro encontrassem um ambiente familiar. Para isso, foi contratado um grupo de físicos especializados para formar um grupo de desenvolvimento de aquisição de dados para desenvolver um sistema comum para os três salões. CODA, o sistema de Aquisição de Dados Online CEBAF, foi o resultado [1].

Descrição

CODA é um conjunto de ferramentas de software e hardware recomendado que ajuda a construir um sistema de aquisição de dados para experimentos de física nuclear. Em experimentos de física nuclear e de partículas, os rastros de partículas são digitalizados pelo sistema de aquisição de dados, mas os detectores são capazes de gerar um grande número de medições possíveis, ou "canais de dados".

O ADC, o TDC e outros eletrônicos digitais são tipicamente placas de circuito grandes com conectores na borda frontal que fornecem entrada e saída para sinais digitais, e um conector na parte traseira que se conecta a um plano traseiro. Um grupo de placas é conectado a um chassi, ou "caixa", que fornece suporte físico, potência e resfriamento para as placas e o backplane. Este arranjo permite que a eletrônica capaz de digitalizar muitas centenas de canais caiba em um único chassi.

No sistema CODA, cada chassi contém uma placa que é um controlador inteligente para o resto do chassi. Esta placa, chamada de Controlador ReadOut (ROC), configura cada uma das placas digitalizadoras ao receber os dados, lê os dados dos digitalizadores e formata os dados para análise posterior.