Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Acceleratore

La principale struttura di ricerca del laboratorio è l'acceleratore CEBAF, che consiste di una sorgente di elettroni polarizzati e di un iniettore e di una coppia di acceleratori lineari RF superconduttori lunghi 7/8 miglia (1400 m). Le estremità dei due acceleratori lineari sono collegate tra loro da due sezioni d'arco con magneti che piegano il fascio di elettroni in un arco. Così, il percorso del fascio è un ovale a forma di pista. (La maggior parte degli acceleratori, come il CERN o il Fermilab, hanno un percorso circolare con molte camere corte per accelerare gli elettroni distribuiti lungo il cerchio). Poiché il fascio di elettroni compie fino a cinque orbite successive, la sua energia viene aumentata fino ad un massimo di 6 GeV. In effetti, il CEBAF è un acceleratore lineare (LINAC), come lo SLAC di Stanford, che è stato piegato fino ad un decimo della sua lunghezza normale. Si comporta come se fosse un acceleratore lineare lungo 7,8 miglia.

Il design del CEBAF permette al fascio di elettroni di essere continuo piuttosto che il fascio pulsato tipico degli acceleratori ad anello. (C'è una certa struttura del fascio, ma gli impulsi sono molto più corti e più vicini tra loro). Il fascio di elettroni è diretto su tre potenziali bersagli (vedi sotto). Una delle caratteristiche distintive di JLab è la natura continua del fascio di elettroni, con una lunghezza del fascio di meno di 1 picosecondo. Un'altra è l'uso da parte di JLab della tecnologia RF superconduttiva (SRF), che utilizza elio liquido per raffreddare il niobio a circa 4 K (-452,5°F), eliminando la resistenza elettrica e consentendo il più efficiente trasferimento di energia ad un elettrone. Per raggiungere questo obiettivo, JLab utilizza il più grande frigorifero ad elio liquido al mondo, ed è stato uno dei primi implementatori su larga scala della tecnologia SRF. L'acceleratore è costruito 8 metri, o circa 25 piedi, sotto la superficie terrestre, e le pareti dei tunnel dell'acceleratore sono spesse 2 piedi.

Il fascio termina in tre sale sperimentali, chiamate Sala A, Sala B e Sala C. Ogni sala contiene uno spettrometro unico per registrare i risultati delle collisioni tra il fascio di elettroni e un bersaglio fisso. Questo permette ai fisici di studiare la struttura del nucleo atomico, in particolare l'interazione dei quark che costituiscono i protoni e i neutroni del nucleo.

Comportamento delle particelle

Ogni volta intorno al loop, il fascio passa attraverso ciascuno dei due acceleratori LINAC, ma attraverso un diverso set di magneti a flessione. (Ogni set è progettato per gestire una diversa velocità del fascio.) Gli elettroni fanno fino a cinque passaggi attraverso gli acceleratori LINAC.

Evento di collisione

Quando un nucleo nel bersaglio viene colpito da un elettrone del fascio, si verifica una "interazione", o "evento", spargendo particelle nella sala. Ogni sala contiene una serie di rivelatori di particelle che tengono traccia delle proprietà fisiche delle particelle prodotte dall'evento. I rivelatori generano impulsi elettrici che vengono convertiti in valori digitali da convertitori analogici a digitali (ADC), da convertitori di tempo a convertitori digitali (TDC) e contatori di impulsi (scaler).

Questi dati digitali devono essere raccolti e memorizzati in modo che il fisico possa successivamente analizzare i dati e ricostruire la fisica che si è verificata. Il sistema di elettronica e di computer che svolge questo compito è chiamato sistema di acquisizione dati.

12 Aggiornamento GeV

A partire da giugno 2010 è iniziata la costruzione di un'ulteriore stazione terminale, il padiglione D, all'estremità opposta dell'acceleratore rispetto agli altri tre padiglioni, nonché un upgrade che raddoppia l'energia del fascio a 12 GeV. Contemporaneamente, è in costruzione un'aggiunta al Test Lab, (dove vengono prodotte le cavità SRF utilizzate nel CEBAF e altri acceleratori utilizzati in tutto il mondo).

12GeV upgrade, attualmente in costruzione.

Laser ad elettroni liberi

JLab ospita il laser ad elettroni liberi accordabile più potente al mondo, con un'uscita di oltre 14 kilowatt. La Marina degli Stati Uniti finanzia questa ricerca per sviluppare un laser in grado di abbattere i missili. Poiché il laboratorio fa ricerche militari classificate, è chiuso al pubblico, tranne che per un open house che si tiene una volta ogni due anni.

Il laser ad elettroni liberi JLab utilizza un LINAC a recupero di energia. Gli elettroni sono iniettati in un acceleratore lineare. Gli elettroni in rapido movimento passano poi attraverso un wiggler che produce un fascio luminoso di luce laser. Gli elettroni vengono poi catturati e indirizzati all'estremità di iniezione del LINAC dove trasferiscono la maggior parte della loro energia ad un nuovo lotto di elettroni per ripetere il processo. Riutilizzando gli elettroni e la maggior parte della loro energia, il laser ad elettroni liberi richiede meno elettricità per funzionare. Il JLab è il primo LINAC a recupero di energia che produce luce ultravioletta. La Cornell University sta ora cercando di costruirne uno per produrre raggi X.

Schema schematico di un laser ad elettroni liberi

CODA

Poiché il CEBAF ha tre esperimenti complementari eseguiti simultaneamente, si è deciso che i tre sistemi di acquisizione dati dovrebbero essere il più simile possibile, in modo che i fisici che si spostano da un esperimento all'altro trovino un ambiente familiare. A tal fine, un gruppo di fisici specializzati è stato assunto per formare un gruppo di sviluppo dell'acquisizione dati per sviluppare un sistema comune per tutte e tre le sale. Il risultato fu il CODA, il sistema di acquisizione dati online del CEBAF [1].

Descrizione

CODA è un insieme di strumenti software e hardware raccomandato che aiuta a costruire un sistema di acquisizione dati per esperimenti di fisica nucleare. Negli esperimenti di fisica nucleare e di fisica delle particelle, le tracce delle particelle sono digitalizzate dal sistema di acquisizione dati, ma i rivelatori sono in grado di generare un gran numero di possibili misurazioni, o "canali dati".

L'ADC, la TDC e le altre elettroniche digitali sono tipicamente circuiti stampati di grandi dimensioni con connettori sul bordo anteriore che forniscono l'ingresso e l'uscita per i segnali digitali, e un connettore sul retro che si inserisce in un backplane. Un gruppo di schede è inserito in un telaio, o "cassa", che fornisce supporto fisico, alimentazione e raffreddamento per le schede e il backplane. Questa disposizione permette all'elettronica in grado di digitalizzare molte centinaia di canali di entrare in un singolo chassis.

Nel sistema CODA, ogni chassis contiene una scheda che è un controllore intelligente per il resto dello chassis. Questa scheda, chiamata ReadOut Controller (ROC), configura ciascuna delle schede di digitalizzazione al momento della prima ricezione dei dati, legge i dati dai digitalizzatori e li formatta per una successiva analisi.