ジェファーソン研究所（JLab）：トーマス・ジェファーソン国立加速器施設の概要

加速器

研究室の主な研究施設はCEBAF加速器で、偏光電子源と入射器、長さ7/8マイル(1400m)の超伝導RF線形加速器のペアから構成されています。2つの線形加速器の両端は、電子ビームを円弧状に曲げる磁石を備えた2つの円弧部で互いに接続されています。そのため、ビーム経路はレーストラックのような楕円形をしています。(CERNやフェルミラボなどの加速器の多くは、円に沿って広がる電子を高速化するために、短いチャンバーを多数配置した円軌道を採用しています)。電子ビームが5つの連続した軌道を周回すると、そのエネルギーは最大6GeVまで増加します。事実上、CEBAFはスタンフォード大学のSLACのような線形加速器（LINAC）で、通常の10分の1の長さに折り畳まれています。長さ7.8マイルの線形加速器であるかのように振る舞う。

CEBAFの設計により、電子ビームはリング型加速器に典型的なパルス状のビームではなく、連続的なビームになります。CEBAFの設計では、リング型加速器によく見られるパルス状の電子ビームではなく、連続的な電子ビームが得られるようになっています。電子ビームは3つの潜在的なターゲットに向けられます（下図参照）。JLabの特徴の一つは、電子ビームの連続性であり、バンチ長が1ピコ秒以下であることです。もう一つは、液体ヘリウムを用いてニオブを約4Kまで冷却する超伝導RF（SRF）技術を採用していることで、電気抵抗を除去し、最も効率的にエネルギーを電子に伝達することができます。この技術を実現するために、JLabは世界最大の液体ヘリウム冷凍機を使用しており、SRF技術の最初の大規模な実装者の1つとなった。加速器は地表から8メートル、約25フィートの深さに建設されており、加速器トンネルの壁は2フィートの厚さです。

ホールA、ホールB、ホールCと呼ばれる3つの実験ホールには、電子ビームと静止した標的との衝突の結果を記録するための独自の分光器が設置されています。これにより、原子核の構造、特に原子核の陽子と中性子を構成するクォークの相互作用を研究することができます。

粒子の挙動

ループを一周するたびに、ビームは2つのLINAC加速器のそれぞれを通過するが、異なる偏向電磁石を通過する。電子は最大で5回、LINAC加速器を通過する。

衝突イベント

ターゲット内の原子核がビームからの電子に当たると、「相互作用」または「イベント」が発生し、粒子がホール内に散乱します。各ホールには、イベントによって生成された粒子の物理的特性を追跡する粒子検出器の配列が含まれています。検出器は、アナログからデジタルへの変換器（ADC）、時間からデジタルへの変換器（TDC）、パルスカウンタ（スケーラ）によってデジタル値に変換された電気パルスを生成します。

このデジタルデータは、物理学者が後でデータを分析し、発生した物理学を再構築できるように、収集して保存しなければなりません。この作業を行う電子機器やコンピュータのシステムは、データ収集システムと呼ばれています。

12 GeVアップグレード

2010年6月には、他の3つのホールとは反対側のエンドステーションであるホールDの増設工事に着手し、ビームエネルギーを2倍の12GeVにアップグレードしました。また、CEBAFをはじめとする世界中の加速器で使用されているSRF空洞を製造するテストラボの増設工事も進めています。

自由電子レーザー

JLabには、14キロワット以上の出力を持つ世界で最も強力なチューナブル自由電子レーザーが搭載されています。アメリカ海軍は、ミサイルを撃ち落とすことができるレーザーを開発するためにこの研究に資金を提供しています。この研究所は軍事機密研究を行っているため、2年に1度の一般公開以外は非公開となっています。

JLab自由電子レーザーは、エネルギー回収型リニアックを使用しています。電子は線形加速器に注入されます。高速で移動する電子はウィグラーを通過し、明るいレーザー光ビームを生成します。その後、電子は捕獲されてリニアックの入射端に戻され、そこでエネルギーの大部分を新しい電子のバッチに移してプロセスを繰り返します。電子とそのエネルギーの大部分を再利用することで、自由電子レーザーの動作に必要な電力を削減することができます。JLabは、ウルトラボリエット光を生成する初のエネルギー回収型リニアックである。コーネル大学は現在、X線を生成するために1つを作ろうとしています。

コダ

CEBAFでは3つの補完的な実験が同時に行われているため、3つのデータ収集システムはできるだけ似たようなものにして、実験から別の実験へと移動する物理学者が使い慣れた環境で利用できるようにする必要がありました。そのために、3つのホールで共通のシステムを開発するために、物理学の専門家からなるデータ収集開発グループを結成しました。CODA、CEBAFオンラインデータ収集システムは、その結果として生まれました [1]。

説明

CODAは、核物理実験のためのデータ収集システムを構築するのに役立つソフトウェアツールと推奨ハードウェアのセットです。原子核実験や素粒子物理学実験では、粒子の軌跡はデータ収集システムによってデジタル化されますが、検出器は多数の可能な測定値、すなわち「データチャンネル」を生成することができます。

ADC、TDC、およびその他のデジタル電子機器は、一般的に、デジタル信号の入出力を提供する前端にコネクタを備えた大型の回路基板であり、バックプレーンに差し込む背面にコネクタを備えています。一群のボードは、ボードとバックプレーンのための物理的なサポート、電源、冷却を提供するシャーシ、または「クレート」に接続されています。この配置により、何百ものチャンネルをデジタル化できる電子機器を1つのシャーシに収めることができます。

CODAシステムでは、各シャーシは、シャーシの残りの部分のためのインテリジェントなコントローラであるボードが含まれています。リードアウトコントローラ（ROC）と呼ばれるこのボードは、最初のデータを受信したときにデジタル化ボードのそれぞれを構成し、デジタイザからデータを読み取り、後で分析するためのデータをフォーマットします。