Laboratorio Nacional Thomas Jefferson (JLab): CEBAF, acelerador y investigación

La principal instalación de investigación del laboratorio es el acelerador del CEBAF, que consta de una fuente e inyector de electrones polarizados y un par de aceleradores lineales de RF superconductores de 7/8 millas (1400 m) de longitud. Los extremos de los dos aceleradores lineales están conectados entre sí por dos secciones de arco con imanes que doblan el haz de electrones en un arco. Así, la trayectoria del haz es un óvalo en forma de pista de carreras. (La mayoría de los aceleradores, como el CERN o el Fermilab, tienen una trayectoria circular con muchas cámaras cortas para acelerar los electrones repartidos a lo largo del círculo). A medida que el haz de electrones realiza hasta cinco órbitas sucesivas, su energía aumenta hasta un máximo de 6 GeV. En efecto, el CEBAF es un acelerador lineal (LINAC), como el SLAC de Stanford, que se ha plegado hasta una décima parte de su longitud normal. Actúa como si fuera un acelerador lineal de 7,8 millas de largo.

El diseño del CEBAF permite que el haz de electrones sea continuo en lugar del haz pulsado típico de los aceleradores en forma de anillo. (Existe cierta estructura del haz, pero los pulsos son mucho más cortos y están más próximos entre sí). El haz de electrones se dirige a tres objetivos potenciales (véase más abajo). Una de las características distintivas del JLab es la naturaleza continua del haz de electrones, con una longitud de racimo inferior a 1 picosegundo. Otra es el uso que hace el JLab de la tecnología de radiofrecuencia superconductora (SRF), que utiliza helio líquido para enfriar el niobio hasta aproximadamente 4 K (-452,5°F), eliminando la resistencia eléctrica y permitiendo la transferencia más eficaz de energía a un electrón. Para conseguirlo, el JLab utiliza el mayor refrigerador de helio líquido del mundo y fue uno de los primeros en aplicar a gran escala la tecnología SRF. El acelerador está construido a 8 metros, o aproximadamente 25 pies, por debajo de la superficie de la Tierra, y las paredes de los túneles del acelerador tienen 2 pies de espesor.

El haz termina en tres salas experimentales, llamadas Sala A, Sala B y Sala C. Cada sala contiene un espectrómetro único para registrar los resultados de las colisiones entre el haz de electrones y un blanco estacionario. Esto permite a los físicos estudiar la estructura del núcleo atómico, concretamente la interacción de los quarks que componen los protones y neutrones del núcleo.

Comportamiento de las partículas

En cada vuelta al bucle, el haz pasa por cada uno de los dos aceleradores LINAC, pero a través de un conjunto diferente de imanes de flexión. (Los electrones pasan hasta cinco veces por los aceleradores LINAC.

Evento de colisión

Cuando un núcleo del blanco es alcanzado por un electrón del haz, se produce una "interacción", o "evento", que dispersa las partículas en la sala. Cada sala contiene un conjunto de detectores de partículas que rastrean las propiedades físicas de las partículas producidas por el evento. Los detectores generan pulsos eléctricos que se convierten en valores digitales mediante convertidores analógicos a digitales (ADC), convertidores de tiempo a digital (TDC) y contadores de pulsos (escaladores).

Estos datos digitales deben recogerse y almacenarse para que el físico pueda analizarlos posteriormente y reconstruir la física que se ha producido. El sistema de electrónica y ordenadores que realiza esta tarea se denomina sistema de adquisición de datos.

Actualización de 12 GeV

Desde junio de 2010, se ha iniciado la construcción de una estación final adicional, la sala D, en el extremo opuesto del acelerador respecto a las otras tres salas, así como una mejora que duplica la energía del haz hasta los 12 GeV. Al mismo tiempo, se está construyendo una adición al laboratorio de pruebas (donde se fabrican las cavidades SRF utilizadas en el CEBAF y en otros aceleradores utilizados en todo el mundo).

El JLab alberga el láser de electrones libres sintonizable más potente del mundo, con una potencia de más de 14 kilovatios. La Marina de los Estados Unidos financia esta investigación para desarrollar un láser que pueda derribar misiles. Como el laboratorio realiza investigaciones militares clasificadas, está cerrado al público, salvo una jornada de puertas abiertas que se celebra cada dos años.

El láser de electrones libres del JLab utiliza un LINAC de recuperación de energía. Los electrones se inyectan en un acelerador lineal. Los electrones, que se mueven rápidamente, pasan a través de un vibrador que produce un haz de luz láser brillante. A continuación, los electrones se capturan y se dirigen de nuevo al extremo de inyección del LINAC, donde transfieren la mayor parte de su energía a un nuevo lote de electrones para repetir el proceso. Al reutilizar los electrones y la mayor parte de su energía, el láser de electrones libres requiere menos electricidad para funcionar. El JLab es el primer LINAC de recuperación de energía que produce luz ultraviolenta. La Universidad de Cornell está intentando construir uno para producir rayos X.

Dado que el CEBAF cuenta con tres experimentos complementarios que se ejecutan simultáneamente, se decidió que los tres sistemas de adquisición de datos debían ser lo más parecidos posible, para que los físicos que pasaran de un experimento a otro encontraran un entorno familiar. Para ello, se contrató a un grupo de físicos especializados para formar un grupo de desarrollo de adquisición de datos que desarrollara un sistema común para las tres salas. El resultado fue CODA, el sistema de adquisición de datos en línea del CEBAF [1].

Descripción

CODA es un conjunto de herramientas de software y hardware recomendado que ayuda a construir un sistema de adquisición de datos para experimentos de física nuclear. En los experimentos de física nuclear y de partículas, las pistas de partículas son digitalizadas por el sistema de adquisición de datos, pero los detectores son capaces de generar un gran número de mediciones posibles, o "canales de datos".

El ADC, el TDC y otros componentes electrónicos digitales suelen ser grandes placas de circuito con conectores en el borde frontal que proporcionan entrada y salida para las señales digitales, y un conector en la parte posterior que se conecta a una placa base. Un grupo de placas se conecta a un chasis, o "caja", que proporciona soporte físico, alimentación y refrigeración para las placas y la placa base. Esta disposición permite que la electrónica capaz de digitalizar muchos cientos de canales quepa en un solo chasis.

En el sistema CODA, cada chasis contiene una tarjeta que es un controlador inteligente para el resto de los chasis. Esta placa, denominada Controlador de Lectura (ROC), configura cada una de las placas digitalizadoras al recibir los datos por primera vez, lee los datos de los digitalizadores y los formatea para su posterior análisis.