Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Accélérateur

La principale installation de recherche du laboratoire est l'accélérateur CEBAF, qui se compose d'une source et d'un injecteur d'électrons polarisés et d'une paire d'accélérateurs linéaires RF supraconducteurs de 7/8 miles (1400 m) de long. Les extrémités des deux accélérateurs linéaires sont reliées entre elles par deux sections d'arc avec des aimants qui courbent le faisceau d'électrons en arc. Ainsi, le trajet du faisceau est un ovale en forme de piste de course. (La plupart des accélérateurs, tels que le CERN ou le Fermilab, ont un chemin circulaire avec de nombreuses chambres courtes pour accélérer la propagation des électrons le long du cercle). Comme le faisceau d'électrons effectue jusqu'à cinq orbites successives, son énergie est augmentée jusqu'à un maximum de 6 GeV. En fait, le CEBAF est un accélérateur linéaire (LINAC), comme le SLAC à Stanford, qui a été replié jusqu'à un dixième de sa longueur normale. Il agit comme s'il s'agissait d'un accélérateur linéaire de 7,8 miles de long.

La conception du CEBAF permet au faisceau d'électrons d'être continu plutôt que pulsé, comme c'est le cas dans les accélérateurs en anneau. (Il existe une certaine structure de faisceau mais les impulsions sont beaucoup plus courtes et plus rapprochées). Le faisceau d'électrons est dirigé sur trois cibles potentielles (voir ci-dessous). L'une des caractéristiques de JLab est la nature continue du faisceau d'électrons, avec une longueur de faisceau inférieure à 1 picoseconde. Une autre caractéristique est l'utilisation par le JLab de la technologie RF supraconductrice (SRF), qui utilise de l'hélium liquide pour refroidir le niobium à environ 4 K (-452,5°F), éliminant la résistance électrique et permettant le transfert le plus efficace de l'énergie à un électron. Pour y parvenir, le JLab utilise le plus grand réfrigérateur à hélium liquide du monde, et a été l'un des premiers à mettre en œuvre la technologie SRF à grande échelle. L'accélérateur est construit à 8 mètres sous la surface de la Terre, et les parois des tunnels de l'accélérateur ont une épaisseur de 2 pieds.

Le faisceau se termine dans trois halls expérimentaux, appelés Hall A, Hall B et Hall C. Chaque hall contient un spectromètre unique pour enregistrer les résultats des collisions entre le faisceau d'électrons et une cible fixe. Cela permet aux physiciens d'étudier la structure du noyau atomique, en particulier l'interaction des quarks qui composent les protons et les neutrons du noyau.

Comportement des particules

A chaque fois, le faisceau passe par chacun des deux accélérateurs LINAC, mais à travers un ensemble différent d'aimants de flexion. (Chaque ensemble est conçu pour traiter une vitesse de faisceau différente.) Les électrons effectuent jusqu'à cinq passages à travers les accélérateurs LINAC.

Collision

Lorsqu'un noyau de la cible est frappé par un électron du faisceau, une "interaction", ou "événement", se produit, diffusant des particules dans le hall. Chaque hall contient un ensemble de détecteurs de particules qui suivent les propriétés physiques des particules produites par l'événement. Les détecteurs génèrent des impulsions électriques qui sont converties en valeurs numériques par des convertisseurs analogique-numérique (ADC), des convertisseurs temps-numérique (TDC) et des compteurs d'impulsions (scalers).

Ces données numériques doivent être rassemblées et stockées afin que le physicien puisse les analyser plus tard et reconstruire la physique qui s'est produite. Le système électronique et informatique qui effectue cette tâche est appelé un système d'acquisition de données.

12 Mise à niveau GeV

Depuis juin 2010, la construction d'une station d'extrémité supplémentaire, le hall D, à l'extrémité de l'accélérateur opposée aux trois autres halls, ainsi qu'une mise à niveau qui double l'énergie du faisceau à 12 GeV, ont commencé. Parallèlement, une annexe au laboratoire d'essai (où sont fabriquées les cavités SRF utilisées dans le CEBAF et d'autres accélérateurs utilisés dans le monde entier) est en cours de construction.

Mise à niveau du 12GeV, actuellement en cours de réalisation.

Laser à électrons libres

Le JLab abrite le laser à électrons libres accordables le plus puissant du monde, avec une puissance de plus de 14 kilowatts. La marine américaine finance ces recherches pour développer un laser capable d'abattre des missiles. Comme le laboratoire effectue des recherches militaires classées, il est fermé au public, à l'exception d'une journée portes ouvertes qui a lieu tous les deux ans.

Le laser à électrons libres du JLab utilise un LINAC de récupération d'énergie. Les électrons sont injectés dans un accélérateur linéaire. Les électrons rapides passent ensuite à travers un ondulateur qui produit un faisceau lumineux laser brillant. Les électrons sont ensuite capturés et dirigés vers l'extrémité d'injection du LINAC où ils transfèrent la majeure partie de leur énergie à un nouveau lot d'électrons pour répéter le processus. En réutilisant les électrons et la majeure partie de leur énergie, le laser à électrons libres nécessite moins d'électricité pour fonctionner. Le JLab est le premier LINAC de récupération d'énergie à produire de la lumière ultraviolette. L'université de Cornell essaie maintenant d'en construire un pour produire des rayons X.

Schéma d'un laser à électrons libres

CODA

Comme le CEBAF comporte trois expériences complémentaires fonctionnant simultanément, il a été décidé que les trois systèmes d'acquisition de données devraient être aussi similaires que possible, afin que les physiciens passant d'une expérience à l'autre trouvent un environnement familier. À cette fin, un groupe de physiciens spécialisés a été engagé pour former un groupe de développement d'acquisition de données afin de mettre au point un système commun aux trois salles. Le CODA, le système d'acquisition de données en ligne du CEBAF, a été le résultat [1]

Description

CODA est un ensemble d'outils logiciels et de matériel recommandé qui aide à construire un système d'acquisition de données pour les expériences de physique nucléaire. Dans les expériences de physique nucléaire et de physique des particules, les traces de particules sont numérisées par le système d'acquisition de données, mais les détecteurs sont capables de générer un grand nombre de mesures possibles, ou "canaux de données".

Les ADC, TDC et autres appareils électroniques numériques sont généralement de grandes cartes de circuits imprimés avec des connecteurs sur le bord avant qui fournissent l'entrée et la sortie des signaux numériques, et un connecteur à l'arrière qui se branche sur un fond de panier. Un groupe de cartes est branché dans un châssis, ou "caisse", qui fournit le support physique, l'alimentation et le refroidissement des cartes et du fond de panier. Cette disposition permet à l'électronique capable de numériser plusieurs centaines de canaux de tenir dans un seul châssis.

Dans le système CODA, chaque châssis contient une carte qui est un contrôleur intelligent pour le reste du châssis. Cette carte, appelée contrôleur de lecture (ROC), configure chacune des cartes de numérisation dès la première réception des données, lit les données des numériseurs et les met en forme pour une analyse ultérieure.