杰弗逊实验室

美国托马斯杰斐逊国家加速器装置（JLab）

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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。

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 A

5. 实验厅 B

6. 实验厅 C

7. 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MCC

13. MCC附属

14. MCC附属II

15. 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（-452.5°F）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，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、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。