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1、美国托马斯杰斐逊国家加速器装置（JLab）提供最前沿科学设施的JLab / JLab的大科学装置 / 大事记 提供最前沿科学设施的JLab托马斯杰斐逊国家加速器装置TJNAF（Thomas Jefferson National Accelerator Facility），俗称杰斐逊实验室（Jefferson Lab）或JLab。JLab位于美国弗吉尼亚州纽波特纽斯（Newport News），是美国能源部科学局下属的国家实验室。1996年以前，它被称为连续电子束加速器装置（CEBAF），这一名称仍普遍用于JLab的主加速器。1996年5月24 日，CEBAF改为以美国政治家、思想家、哲学家、科
2、学家、教育家，第三任美国总统托马斯杰斐逊（Thomas Jefferson，1743-1826）名字命名的国家加速器装置。2006年6月1日起，它由东南大学研究协会和计算机科学公司组建的杰斐逊科学伙伴有限公司负责运行。JLab位置示意图（图片来自Google）JLab鸟瞰JLab的标牌JLab成立于1984年，现有雇员675人，来自世界2000多名科学家利用这一装置进行科学研究。其主要任务是提供发现核物质基本性质绝对必需的最前沿的科学设施、机会和领导，并与工业业界合作，利用其先进技术，以及通过教育和公众宣传服务于国家和它的社区。 JLab还有一个衍生的使命：用自由电子激光器在实验室进行物理实验
3、技术的开发应用研究。此外，作为基础和应用研究中心，JLab帮助在科学和技术方面教育下一代。 JLab每年的经费约为7000万美元，由美国能源部付给美国东南部大学研究协会用于运作JLab。JLab还从其他几个地方获得一些资金，通常用于特定的项目，但与能源部提供的主要经费相比，这些资金的数量较小。作为与能源部签约一方的弗吉尼亚州，通过给工作在JLab的一小部分雇员支付工资的方式贡献一小部分资金。JLab自由电子激光项目的资金单独提供，尽管它位于JLab加速器全套装置的中心。自由电子激光器的经费来源于美国海军和对利用该激光器进行商业应用感兴趣的几家公司，其应用范围从制造高级滑钢材到不会发霉的淋浴窗帘
4、。 JLab拥有与企业家的协议，称为合作研究和开发协议。通常来自于对JLab科学家们正在做的某项工作感兴趣的公司。他们同意支付一部分研发费用，以获取任何开发出的东西。JLab目前有几个正在实施的合作研发协议。例如，与一家公司达成协议，研制一台机器帮助医生诊断癌症。这台机器是基于为JLab物理实验所开发的技术。这家公司还购买了该台机器的销售许可证。每销售一台，他们就给JLab支付一笔款项。其他几个国家的捐助，通常是提供人员或设备，而不是经费。作为交换，亚美尼亚的Yeravan研究所已提供了几位科学家，他们建造了JLab机器的许多重要组成部件。有几个国家派大学生在这里工作。这些学生把那部分工作作为
5、他们教育科研工作的一部分。 Jlab的大科学装置Jlab示意图1.应用研究中心2.CEBAF中心6.实验设备实验室23.访问学者客房24.测试实验室25.办公区域26.管理部门办公室JLab应用研究中心与CEBAF中心CEBAF中心的咖啡厅与饭厅CEBAF中心的礼堂与计算中心实验设备实验室的探测器组件洁净室及漂移室试验台 1、连续电子束加速器装置（CEBAF） JLab的主要研究装置是CEBAF加速器，它由一个极化电子源和一对长1400米的超导高频直线加速器组成。两个超导直线加速器由含有两个导向磁铁的弧形段将彼此连接起来。当电子束连续运行5个轨道后，其能量最高达到6 GeV。与西欧中心或费米国
6、家实验室的经典环形的加速器形状相比，这一设计看起来类似田径场上的跑道。实际上，CEBAF是一个折叠起来的直线加速器。Jlab加速器示意图 1.中央氦液化器2.实验厅控制室及办公楼3.东弧段4.实验厅 A5.实验厅 B6.实验厅 C7.自由电子激光装置18.A厅运输斜坡19.B厅运输斜坡10.C厅运输斜坡11.注入器12.机器控制中心MCC13.MCC附属14.MCC附属II15.北出入大厅16.北直线加速器17.存储区18.南出入大厅19.南直线加速器20.VEPCO 变电站21.西弧段注入器北直线加速器与南直线加速器JLab加速器隧道的西弧段与东弧段 CEBAF的一个显著特点是电子束的连续性
7、质，允许电子束连续而不是典型的环形加速器的脉冲束流（有某种脉冲结构，但脉冲很短），电子束射向3个靶，束团长度小于2皮秒。另一个显著的特点是采用超导高频技术，用液氦将铌大约冷却到4K（-452.5F）消除电阻，使能量最有效地传送到电子。为了实现这一目标，JLab拥有世界上最大的液态氦储冷罐，是实现超导高频技术最早的大规模器械之一。加速器建在地表面8米，或约25英尺的地下，加速器隧道的墙壁厚2英尺。氦储气罐与中央氦液化器的储冷罐JLab机器控制中心CEBAF加速器1995年出束运行并开始实验，CEBAF和实验设备(包括探测系统和高密极化靶)具有特殊的优越性能。高亮度带来实验的高统计精度，实验周期短
8、，实验内容非常丰富，实验课题很广泛。3个实验大厅每年可完成约1O-15个实验；高性能束流加上高精度谱仪，致使实验结果一般都有明确的结论。 CEBAF为超导回旋电子加速器，最大能量为6GeV，在1-6 GeV 之间可以有几个分离能量：1.2、2.4、3.6、4.8和6 GeV，且为连续束流；电子极化率高达8O；聚焦性能好(束斑小于50 m)；束流可同时供3个实验厅实验。束流的极化度、强度、斑点大小及位置都有两套监测装置。由于是连续束流，在保证高亮度方面，CEBAF的束流因子比其他加速器高3个数量级以上。每一次循环，束流都通过两个直线加速器，但通过一组不同的弯转磁铁。 束流最终引到3个实验大厅A、
9、B和C。每个大厅都有一个独特的谱仪，记录电子束和固定靶之间的对撞结果，使科学家们研究原子核的结构，特别是构成原子核的质子和中子的夸克的相互作用。 当靶中的原子核被束流的电子击中后，“相互作用”或“事例”发生，散射粒子进入实验大厅。每个大厅都包含数组粒子探测器，跟踪事件所产生的粒子的物理特性。该探测器产生由模拟到数字转换器，时间到数字转换器和脉冲计数器转换成数字值的电脉冲。这些数字数据必须收集和储存，以便物理学家们可以在以后分析数据和重建发生的物理。执行此任务的电子学及计算机系统称为数据采集系统。 A实验厅有两个高分辨率谱仪和小角度磁体以及高密度极化靶。谱仪具有高动量分辨率；谱仪可在可转动的轨道
10、上转动，因而可以在不同的角度上测量散射电子，由于束流斑点小于50 mm，相互作用的顶点位置可以定得很准。高密度靶加连续束流，保证了实验数据的高统计精度；高精度谱仪保证了小的系统误差，实验结果确定、可信。A厅光谱仪与电子能谱仪 B实验厅的实验装置为大接收度的谱仪电磁量能器，以探测光子为主，测量由电子、光子引起反应的产物，亮度低些但信息量大，可以在几乎4兀立体角范围内把一次反应的产物都记录下来。它的物理课题主要为介子核的研究、超核的研究和手征对称性破缺的研究等。B厅大接收度谱仪与CLAS超导磁铁 C实验厅有两个谱仪以及一些特殊设备和高密靶，束流亮度高，有介子核等研究课题，着重于对奇异海夸克结构函数
11、的研究。C厅高动量谱仪CEBAF在线数据获取系统 由于CEBAF有三个互补性的实验同时进行，所以3个数据获取系统应尽可能相似，以便物理学家从一个实验移动到另一个实验中发现有一个熟悉的环境。为此，一个由聘请专家组成的物理学家小组形成一个数据采集开发小组为所有三个大厅开发一个共同的系统，即CEBAF在线数据获取系统。 CEBAF在线数据获取系统是一套软件工具和推荐的硬件，以促进核物理实验的数据获取系统。在核物理与粒子物理实验中，粒子轨迹由数据获取系统数字化，但探测器能够产生大量可能的测量结果，或“数据通道”。 ADC、TDC及其他数字电子产品通常是大型的电路板，前沿有连接器，提供数字信号的输入和输
12、出，并在背面有一个连接器，插到底板。一组电路板插入到机箱，提供实质支持，电路板和底板的功率和冷却。这一安排使电子学能够将压缩到一个单一机箱数以百计的通道数字化。 在CEBAF在线数据获取系统中，每个机箱有一个电路板，该电路板是其他机箱的智能控制器。该电路板被称为读出控制器，第一次接收数据后，配置每块数字化板，从数字化仪读取数据，并为以后分析将数据格式化。 2、12 GeV 升级改造 2004年4月19日，美国能源部宣布批准JLab开始规划一项耗资2.25亿美元的项目（后来增为3.1亿美元）。该项目包括将其CEBAF的能量从6 GeV提高到12 GeV，同时改进计算设备和建造第个开展GlueX粒
13、子物理实验的实验大厅D。12 GeV 升级改造示意图12 GeV升级改造是核物理界深入了解未知领域的一个特有机会。研究人员第一次能够探索强相互作用系统的夸克和胶子结构，确定被认为是描述强相互作用理论的量子色动力学是否全面和完整地描述强子（3夸克）系统。12 GeV升级改造项目将对强子物质 构成世界上一切东西的物质做出具有深远意义的贡献。12 GeV的研究项目将在以下5个主要领域取得突破： 通过寻找奇异介子（在奇异介子中，胶子是其结构不可回避的部分），研究人员将探索量子色动力学的迷人和复杂真空结构和禁闭的性质。 通过对为研究隐藏在核子中味的作用而提出的宇称不守恒的精度极高的研究，研究人员能够探索
14、即使利用拟议中的国际直线对撞机都不能探索的超越标准模型的能量范围的物理。 该机器的亮度，负载因数和运动范围的结合将远远超过至此可提供的任何东西，使核物理学界能够看到以前不可能看到的自旋和价部分子分布对味的依赖 - 质子的核心，量子数在此确定。 研究人员将能够彻底了解原子核的结构，研究价夸克结构如何在一个密集的核介质中进行改变。这些研究将奉献给世界对原子核结构更深层和更基本的了解，对所有核物理和核天体物理具有深远的意义。 一般的部分子分布将使研究人员首次从事核断层扫描，发现核子的真实三维结构。 由于CEBAF现有的功能，12 GeV的升级非常符合成本效益。超导高频直线加速器包括有超导铌腔，在加速
15、梯度和Q设计参数平均50%以上运行。这项技术的成功开辟了一个相对简单、CEBAF最高能量升级不太昂贵的可能性。由于CEBAF隧道的空间充足，这个目标也成为可能。隧道的设计使磁弧可容纳多达24 GeV的电子束。12GeV的升级改造计划2005年完成概念设计，2007年开始建造，预计2015年全面投入运行。CEBAF的改进将使其以世界各地其他实验室不能达到的精度对夸克展开观测。 （1）加速器的升级改造 加速器的升级将按原有CEBAF的加速器框架加以建造。已安装超导腔的潜在电压使CEBAF的加速性能接近6 GeV，超导高频部件的开发成功，研制出比原设计作用大2倍以上的两个低温组件。低温组件开发项目的最后设计超过原来设计规范的5倍。12 GeV升级使用的低温组件采用性能更高的7个单元腔，同时保持原有低温组件的设计总长度。利用加速器隧道中已有的空间，按适当的费用安装10个最终设计的更高性能的低温组件。 D厅需要12 GeV的束流，则到A、B和C厅的需要最高达11 GeV的束流。为达到这个目标，加速器将升级到2.2 GeV/圈（1.1电子伏特/直线加速器），束流传输系统升级和扩大，包括： 10个新的更高电压的低温组件，
