토마스 제퍼슨 국립 액셀러레이터 시설

Thomas Jefferson National Accelerator Facility

좌표: 37°05′41″N 76°28′54″w / 37.09472°N 76.48167°W / 37.09472; -76.48167

토마스 제퍼슨 국립 액셀러레이터 시설
JLab logo white2.jpg
좌우명물질의 본질을 탐구하는 것
확립된1984; 38년 전 (1998년)
연구종류핵물리학
예산c. 미화 2억 달러(2010년)
감독스튜어트 헨더슨
스태프675
위치미국 버지니아 뉴포트 뉴스
캠퍼스214에이커(87 ha)
운영기관
제퍼슨 사이언스 어소시에이츠, LLC
웹사이트www.jlab.org

흔히 제퍼슨 또는 JLab으로 불리는 토마스 제퍼슨 국립 액셀러레이터 시설(TJNAF, Tomas Jefferson National Accelerator Facility, TJNAF)은 버지니아주 뉴포트 뉴스에 위치한 미국 국립 연구소다. 그것의 명시적인 임무는 "핵물질의 근본적인 구조를 발견하는 데 필수적인 최전선의 과학시설, 기회 그리고 리더십을 제공하는 것, 그것의 진보된 기술을 적용하기 위해 산업에 협력하는 것, 그리고 교육과 공공 지원을 통해 국가와 지역사회에 봉사하는 것"[1]이다.

제퍼슨 랩 항공전
12 GeV 에너지 업그레이드 후 가속기 및 실험 홀의 개략도.

2006년 6월 1일부터 남동대학연구회와 PAE 적용기술이 설립한 유한책임회사 제퍼슨 사이언스 어소시에이츠(Jefferson Science Associates, LLC)가 운영하고 있다. 1996년까지 연속 전자 가속기 시설(CEBAF)로 알려져 있었다. 일반적으로 이 이름은 여전히 주 가속기에 사용된다. 1984년 설립된 제퍼슨랩은 750명 이상을 고용하고 있으며, 전 세계 2000명 이상의 과학자들이 이 시설을 이용해 연구를 진행했다.[2]

역사

이 시설은 1984년(DOE, Energy Department of Energy) 연속 전자 빔 가속기 시설(CEBAF)으로 설립되었으며, 1996년 토마스 제퍼슨 국립 가속기 시설로 명칭이 변경되었다. 건설자금 전액은 1986년 미 의회에서 충당되었고 1987년 2월 13일 주요 부품인 CEBAF 액셀러레이터의 건설이 시작되었다. 첫 번째 빔은 1994년 7월 1일에 실험 지역에 전달되었다. 빔에 대한 4 GeV의 설계 에너지는 1995년에 달성되었다. 실험실 헌신은 1996년 5월 24일에 이루어졌다(이 행사에서 명칭도 바뀌었다). 설계 에너지에서 세 개의 초기 실험 영역 모두를 온라인으로 하는 완전한 초기 운영은 1998년 6월 19일에 달성되었다. 2000년 8월 6일 CEBAF는 6 GeV의 "향상된 설계 에너지"에 도달했다. 2001년에는 12개의 GeV 전자빔으로 에너지 업그레이드 계획을 세우고 네 번째 실험 홀 면적을 건설할 계획을 세웠다. 계획은 2000년대 들어 다양한 DOE 중요 의사결정 단계를 통해 진행되었으며, 2008년 최종 DOE 승인과 2009년 12 GeV 업그레이드에 대한 건설이 시작되었다. 2012년 5월 18일 12 GeV 업그레이드를 위한 가속기 구성 요소의 교체를 위해 원래 6 GeV CEBAF 가속기가 종료되었다. 178개의 실험이 원래의 CEBAF로 완성되었다.[3]

그 실험실은 액셀러레이터 외에도 프리 일렉트로닉 레이저(FEL) 기구를 수용하여 계속 보관하고 있다. FEL의 건설은 1996년 6월 11일에 시작되었다. 1998년 6월 17일 첫 빛을 얻었다. 이후 FEL은 수없이 업그레이드돼 전력과 역량이 크게 늘었다.

제퍼슨 랩은 오크 리지(Oak Ridge)의 스프롤레이션 중성자 소스(SNS) 건설에도 관여했다. 제퍼슨은 SNS 초전도 가속기와 헬륨 냉동장치를 만들었다. 가속기 부품은 2000-2005년 설계 및 생산되었다.

액셀러레이터

실험실의 주요 연구 설비는 CEBAF 가속기로서, 길이 7/8마일(1400m)의 초전도 RF 선형 가속기와 조향 자석을 포함하는 두 개의 호 섹션으로 서로 연결되는 한 쌍으로 구성되어 있다. 전자빔이 최대 5개의 연속 궤도를 구성함에 따라 최대 6 GeV까지 에너지를 증가시킨다(원래 CEBAF 기계는 2000년 6 GeV의 "향상된 설계 에너지"에 도달하기 전에 4 GeV의 설계 에너지에서 1995년에 처음 작동했다; 그 이후로 설비는 12 GeV 에너지로 업그레이드되었다). 이는 CERN이나 페르밀랍과 같은 사이트에서 볼 수 있는 고전적인 고리 모양의 가속기와 비교했을 때 경마장과 비슷하게 나타나는 디자인으로 이어진다. 사실상 CEBAF는 스탠포드SLAC와 유사한 선형 가속기로 정상 길이의 10분의 1까지 접었다.

CEBAF의 설계는 전자빔이 고리형 가속기의 전형적인 펄스 빔보다 연속적으로 되도록 한다. (일부 빔 구조는 있으나 펄스는 매우 짧고 서로 가깝게 된다.) 전자 빔은 세 개의 잠재적 표적(아래 참조)으로 향한다. 제퍼슨 랩의 특징 중 하나는 전자빔의 연속성인데, 그 길이는 1피코초 미만이다. 또 다른 하나는 제퍼슨 랩이 액체 헬륨을 사용하여 니오비움을 약 4K(-452.5°F)까지 냉각시켜 전기 저항을 제거하고 전자에너지를 가장 효율적으로 전달할 수 있는 초전도 무선주파수(SRF) 기술을 이용한 것이다. 이를 위해 제퍼슨랩은 세계 최대 액상 헬륨 냉장고를 보유하고 있으며, SRF 기술을 최초로 대규모로 구현한 것 중 하나이다. 가속기는 지구 표면 아래 8미터, 즉 약 25피트 아래에 건설되며 가속기 터널의 벽은 두께가 2피트다.

빔은 A홀, B홀, C홀, D홀로 표시된 네 개의 실험 홀에서 끝난다. 각 홀에는 전자빔 사이의 충돌 또는 실제 광자와 정지 표적 사이의 충돌 결과를 기록할 수 있는 전문 분광기가 있다. 이를 통해 물리학자들은 원자핵의 구조, 특히 핵의 양성자중성자구성하는 쿼크의 상호작용을 연구할 수 있게 된다.

가속기 주위의 각 회전과 함께 빔은 두 LINAC 가속기를 각각 통과하지만, 리낙의 끝단에 있는 반원형 호 안의 다른 휨 자석을 통과한다. 전자는 선형 가속기를 통해 최대 5회 통과한다.

대상의 핵이 빔으로부터 전자에 맞으면, "상호작용" 즉 "이벤트"가 일어나 입자를 홀 안으로 흩어지게 된다. 각 홀에는 이벤트에 의해 생성된 입자의 물리적 특성을 추적하는 일련의 입자 감지기가 있다. 검출기는 아날로그-디지털 변환기(ADC), 디지털 변환기(TDC) 및 펄스 카운터(스칼러)에 의해 디지털 값으로 변환되는 전기 펄스를 생성한다.

이 디지털 데이터물리학자가 나중에 데이터를 분석하고 발생했던 물리학을 재구성할 수 있도록 수집되고 저장된다. 이 작업을 수행하는 전자제품과 컴퓨터의 시스템을 데이터 수집 시스템이라고 한다.

12 GeV 업그레이드

2010년 6월 현재, 다른 3개 홀에서 가속기 반대편 끝에 종착역 D홀을 추가하고 12 GeV에 에너지를 이중으로 공급하기 위한 3억 3천 8백만 달러의 업그레이드 공사가 시작되었다. 동시에 테스트 랩(CEBAF 및 전 세계적으로 사용되는 기타 가속기에 사용되는 SRF 캐비티가 제조되는 곳)에 추가되었다.

2014년 5월 현재, 업그레이드는 10.5 GeV에서 빔 에너지 신기록을 달성하여 홀 D에 빔을 전달하였다.[4]

2016년 12월 현재, CEBAF 가속기는 진행 중인 12 GeV 업그레이드 프로젝트의 커미셔닝 활동의 일환으로 풀 에너지 전자를 공급했다. 연속 전자 빔 가속기 시설의 운영자들은 최신 실험 홀 복합체인 홀 D에 12 GeV 전자(12.065 Giga 전자 볼트)의 1차분을 전달했다.[5]

2017년 9월, DOE로부터 12 GeV 업그레이드 프로젝트 완료 및 운영 개시 공식 승인 공문이 발행되었다. 2018년 봄까지 4대 연구분야 모두 빔 수신과 실험에 성공하였다. 2018년 5월 2일 CEBAF 12 GeV 업그레이드 헌정식이 열렸다.[6]

2018년 12월 현재, CEBAF 가속기는 물리학 품질의 생산을 위해 4개의 실험 홀 모두에 전자 빔을 동시에 전달하였다.[7]

물리 프로그램

제퍼슨 랩은 전자기 교호작용을 이용하여 핵(프로톤과 중성자), 광중합체의 생성과 붕괴, 원자핵 내 핵의 상호작용 측면을 조사하는 광범위한 연구 프로그램을 실시한다. 주요 도구는 전자의 산란과 고에너지 실제 광자의 생성 및 활용이다. 또 전자빔과 광자빔 모두 극성을 높게 할 수 있어 수사에서 이른바 스핀 자유도를 탐사할 수 있다.

4개의 실험실은 뚜렷하지만 중복되는 연구목표를 가지고 있지만, 각각 고유의 계기를 가지고 있다.

A홀

고해상도 분광계(HRS) 매칭은 심층 비탄성 전자 산란 연구에 사용되어 왔다. 매우 잘 제어되는 편광 전자 빔을 사용하여 전자 산란에서 패리티 위반이 연구되었다.

B홀

CLASS 검출기는 1998년부터 2012년까지 Hall B 실험 프로그램의 주축이었다. 심층 비탄성 상호작용, 하드론 분광학, 핵 상호작용 분야의 물리학 작업 그룹이 존재한다. CLASS 링크에서 분광계 자체 및 물리 프로그램과 관련된 기사를 참조하십시오. 편광된 실제 광자와 전자 빔이 사용되었다. 물리학 대상에는 액체 수소와 중수소를 비롯해 대규모 핵물질이 포함됐다.

Jefferson Lab의 12 GeV 빔 시대에 홀 B 프로그램은 CLASS12라는 새로운 검출기뿐만 아니라 좀 더 전문화된 하드웨어를 사용하는 몇 가지 다른 실험도 포함하도록 재구성되었다.

C홀

예를 들어 전자파 상호작용을 통해 양성자와 초핵생산의 약한 전하를 측정하기 위한 패리티 위반 전자 산란과 같은 연구를 위해 다중 분광기와 전문 장비가 사용되어 왔다.

D홀

이 실험실은 2014년부터 12개의 GeV 빔 에너지 프로그램을 시작하기 위해 지어졌다. 이 홀에는 글루엑스 실험이 들어 있는데, 이 실험은 중원에서의 명시적인 글루온 배설물을 찾는 과정에서 빛 없는 중원 스펙트럼을 상세하게 설계하기 위한 것이다.

자유전자레이저

JLab에는 세계에서 가장 강력한 튜닝이 가능한 자유 전자 레이저가 탑재되어 있으며, 출력은 14킬로와트 이상이다.

CODA

CEB 이후AF는 세 가지 보완 실험이 동시에 실행되고 있는데, 한 실험에서 다른 실험으로 이동하는 물리학자들이 친숙한 환경을 찾을 수 있도록 세 가지 데이터 획득 시스템이 가능한 한 유사해야 한다고 결정했다. 이를 위해 전문 물리학자 그룹을 고용하여 데이터 획득 개발 그룹을 형성하여 3개 홀 모두에 대한 공통 시스템을 개발하였다. CEBAF 온라인 데이터 수집 시스템CODA가 그 결과였다.[8]

CODA는 핵물리 실험을 위한 데이터 획득 시스템을 용이하게 하는 소프트웨어 도구와 권장 하드웨어의 집합이다. 핵 및 입자물리학 실험에서 입자 트랙은 데이터 획득 시스템에 의해 디지털화되지만 검출기는 다수의 가능한 측정, 즉 "데이터 채널"을 생성할 수 있다.

일반적으로 ADC, TDC 및 기타 디지털 전자장치는 디지털 신호에 대한 입력과 출력을 제공하는 전면 가장자리에 커넥터가 있고 백플레인에 연결되는 후면에는 커넥터가 있는 대형 회로기판이다. 보드 그룹은 보드 및 백플레인에 물리적 지지, 전원 및 냉각 기능을 제공하는 섀시 또는 "크레이트"에 연결된다. 이 배열은 수백 개의 채널을 디지털화할 수 있는 전자장치를 하나의 섀시로 압축할 수 있게 한다.

CODA 시스템에서 각 섀시는 섀시의 나머지 부분을 위한 지능형 컨트롤러인 보드를 포함하고 있다. ROC(ReadOut Controller)라고 불리는 이 보드는 데이터를 처음 수신할 때 각각 디지털화 보드를 구성하고 디지타이저에서 데이터를 읽으며 이후 분석을 위해 데이터를 포맷한다.

참고 항목

참조

  1. ^ Ware, Linda (September 26, 2005). "Press Release PR-JLAB-05-4: Jefferson Lab scientists set to test germ-killing fabrics". Lightsources.org. Archived from the original on July 8, 2007. Retrieved October 3, 2005.
  2. ^ "Labs at-a-Glance: Thomas Jefferson National Accelerator Facility". U.S. Dept of Energy Office of Science. Retrieved May 6, 2019.
  3. ^ "Timeline". Jefferson Lab.
  4. ^ "Scientists unleash highest-energy beam ever at Jefferson Lab". R&D Magazine. May 9, 2014. Retrieved May 15, 2014.
  5. ^ "Home". Jefferson Lab.
  6. ^ "The Jefferson Lab Archives". Jefferson Lab.
  7. ^ "CEBAF turns on the charm". Phys.org. April 18, 2019. Retrieved May 6, 2019.
  8. ^ "CODA Documentation". Jefferson Lab.

외부 링크