مختبر جيفرسون

مرفق توماس جيفرسون الوطني للمسرعات ( TJNAF )، أو JLab اختصارًا، هو مختبر وطني تابع لوزارة الطاقة الأمريكية يقع في نيوبورت نيوز، فيرجينيا . ^{[ 1 ]}

منذ 1 يونيو 2026، تتولى شركة SURATech, LLC إدارة المنشأة. ويتألف فريق SURATech, LLC من كيانين عضوين هما: جمعية أبحاث جامعات الجنوب الشرقي ، وجامعة ولاية فرجينيا للفنون التطبيقية، وأربعة مقاولين فرعيين رئيسيين هم: شركة هانيويل الدولية، وشركة لونجينيكر وشركاؤه، وشركة أكيما لدعم العمليات، وشركة أتكينز رياليس. ^{[ 2 ]} في 1 يونيو 2006، كانت تتولى إدارتها شركة جيفرسون ساينس أسوشيتس، وهي شركة ذات مسؤولية محدودة أنشأتها جمعية أبحاث جامعات الجنوب الشرقي وشركة PAE للتقنيات التطبيقية. وفي عام 2021، أصبحت شركة جيفرسون ساينس أسوشيتس شركة تابعة مملوكة بالكامل لجمعية أبحاث جامعات الجنوب الشرقي.

حتى عام 1996، كان يُعرف مركز TJNAF باسم مرفق مُسرِّع حزمة الإلكترونات المستمر (CEBAF)؛ ولا يزال هذا الاسم شائع الاستخدام للمُسرِّع الرئيسي. تأسس مختبر جيفرسون عام 1984، ويعمل فيه أكثر من 750 شخصًا، وقد أجرى أكثر من 2000 عالم من جميع أنحاء العالم أبحاثًا باستخدام هذا المرفق. ^{[ 3 ]}

أُنشئ المرفق عام 1984 (بتمويل أولي من وزارة الطاقة الأمريكية ) تحت اسم "مرفق مسرع الحزمة الإلكترونية المستمرة" (CEBAF) من قِبل رابطة أبحاث جامعات الجنوب الشرقي؛ ثم غُيّر اسمه إلى "مرفق توماس جيفرسون الوطني للمسرعات" عام 1996. خصص الكونغرس الأمريكي التمويل الكامل للبناء عام 1986، وفي 13 فبراير 1987، بدأ بناء المكون الرئيسي، وهو مسرع CEBAF. وُجّهت أول حزمة إلى منطقة التجارب في 1 يوليو 1994. وبلغت طاقة التصميم للحزمة 4 جيجا إلكترون فولت خلال عام 1995. وافتُتح المختبر رسميًا في 24 مايو 1996 (وتم تغيير اسمه في هذا الحدث أيضًا). وبدأ التشغيل الكامل لجميع مناطق التجارب الثلاث عند طاقة التصميم في 19 يونيو 1998. وفي 6 أغسطس 2000، وصل CEBAF إلى "طاقة تصميم مُحسّنة" تبلغ 6 جيجا إلكترون فولت. في عام ٢٠٠١، بدأت خططٌ لرفع طاقة حزمة الإلكترونات إلى ١٢ جيجا إلكترون فولت، بالإضافة إلى خططٍ لإنشاء قاعة تجارب رابعة. مرّت هذه الخطط بمراحل اتخاذ قرارات حاسمة من قِبل وزارة الطاقة الأمريكية خلال العقد الأول من الألفية الثانية، إلى أن حظيت بالموافقة النهائية من الوزارة عام ٢٠٠٨، وبدأ العمل على ترقية الطاقة إلى ١٢ جيجا إلكترون فولت عام ٢٠٠٩. في ١٨ مايو ٢٠١٢، أُغلق مُسرِّع CEBAF الأصلي ذو طاقة ٦ جيجا إلكترون فولت لاستبدال مكوناته اللازمة لترقية الطاقة إلى ١٢ جيجا إلكترون فولت. أُجريت ١٧٨ تجربة باستخدام مُسرِّع CEBAF الأصلي. ^{[ ٤ ] [ ٥ ]}

بالإضافة إلى المُسرِّع، يضم المختبر جهاز ليزر الإلكترون الحر (FEL). بدأ بناء جهاز ليزر الإلكترون الحر في 11 يونيو 1996، وحقق أول إضاءة له في 17 يونيو 1998. ومنذ ذلك الحين، خضع الجهاز للعديد من التحديثات، مما زاد من قوته وقدراته بشكل كبير.

شارك مختبر جيفرسون أيضاً في بناء مصدر النيوترونات بالتفتيت (SNS) في أوك ريدج وتحديثه، ومصادم الإلكترون-أيون في مختبر بروكهافن الوطني. ويقوم جيفرسون ببناء أنظمة تسريع فائقة التوصيل وأنظمة تبريد بالهيليوم لمسرعات وزارة الطاقة الأمريكية في جميع أنحاء مجمع المختبرات الوطنية.

يُعدّ مُسرّع CEBAF المرفق البحثي الرئيسي في المختبر، ويتألف من مصدر وحاقن إلكترونيين مستقطبين، وزوج من مُسرّعات الترددات الراديوية الخطية فائقة التوصيل، يبلغ طول كل منهما 1400 متر (7/8 ميل)، ومتصلين ببعضهما البعض بواسطة قسمين قوسيين يحتويان على مغناطيسات توجيه. ومع دوران حزمة الإلكترونات حتى خمس دورات متتالية، تزداد طاقتها إلى حد أقصى يبلغ 6 جيجا إلكترون فولت (عمل جهاز CEBAF الأصلي لأول مرة عام 1995 بطاقة تصميمية تبلغ 4 جيجا إلكترون فولت، قبل أن يصل إلى "طاقة تصميمية مُحسّنة" تبلغ 6 جيجا إلكترون فولت عام 2000؛ ومنذ ذلك الحين، تمّ تحديث المرفق ليصل إلى طاقة 12 جيجا إلكترون فولت). يُضفي هذا التصميم شكلاً يُشبه مضمار السباق، مقارنةً بالمُسرّعات الحلقية التقليدية الموجودة في مواقع مثل CERN أو Fermilab . في الواقع، يُعدّ CEBAF مُسرّعًا خطيًا ، يُشبه SLAC في جامعة ستانفورد ، تمّ طيّه إلى عُشر طوله الأصلي. 

يسمح تصميم مسرع الإلكترونات ذي الحزمة الإلكترونية المستمرة (CEBAF) باستمرار حزمة الإلكترونات بدلاً من الحزمة النبضية المعتادة في المسرعات الحلقية. (مع وجود بعض البنية الشعاعية، إلا أن النبضات أقصر بكثير وأقرب إلى بعضها). تُوجَّه حزمة الإلكترونات نحو أربعة أهداف محتملة (انظر أدناه). من أبرز سمات مختبر جيفرسون استمرارية حزمة الإلكترونات، حيث يقل طول الحزمة عن بيكو ثانية واحدة . ومن السمات الأخرى استخدام مختبر جيفرسون لتقنية الترددات الراديوية فائقة التوصيل (SRF)، التي تستخدم الهيليوم السائل لتبريد النيوبيوم إلى حوالي 4 كلفن (-452.5  درجة فهرنهايت)، مما يُزيل المقاومة الكهربائية ويسمح بنقل الطاقة إلى الإلكترون بأعلى كفاءة. ولتحقيق ذلك، يضم مختبر جيفرسون أكبر مبرد هيليوم سائل في العالم، وكان من أوائل التطبيقات واسعة النطاق لتقنية SRF. بُني المسرع على عمق 8 أمتار تحت سطح الأرض، أو حوالي 25 قدمًا، ويبلغ سمك جدران أنفاق المسرع قدمين.

ينتهي مسار الحزمة في أربع قاعات تجريبية، تحمل أسماء القاعة أ، والقاعة ب ، والقاعة ج، والقاعة د. تحتوي كل قاعة على مطيافات متخصصة لتسجيل نواتج التصادمات بين حزمة الإلكترونات أو مع الفوتونات الحقيقية وهدف ثابت. يتيح هذا للفيزيائيين دراسة بنية نواة الذرة ، وتحديدًا تفاعل الكواركات التي تُكوّن البروتونات والنيوترونات في النواة.

مع كل دورة حول المُسرِّع، يمر الشعاع عبر كلٍّ من مُسرِّعي LINAC ، ولكن عبر مجموعة مختلفة من المغناطيسات المنحنية في أقواس نصف دائرية عند نهايتي المُسرِّعين. وتُجري الإلكترونات ما يصل إلى خمس دورات عبر المُسرِّعات الخطية.

عندما يصطدم إلكترون من الحزمة بنواة في الهدف ، يحدث "تفاعل" أو "حدث"، مما يؤدي إلى تشتت الجسيمات في القاعة. تحتوي كل قاعة على مجموعة من كواشف الجسيمات التي تتعقب الخصائص الفيزيائية للجسيمات الناتجة عن هذا الحدث. تولد هذه الكواشف نبضات كهربائية تُحوّل إلى قيم رقمية بواسطة محولات تناظرية-رقمية (ADCs) ومحولات زمنية-رقمية (TDCs) وعدادات نبضات (مقياسات).

تُجمع هذه البيانات الرقمية وتُخزن ليتمكن الفيزيائي لاحقًا من تحليلها وإعادة بناء الظواهر الفيزيائية التي حدثت. يُطلق على نظام الإلكترونيات والحواسيب الذي يؤدي هذه المهمة اسم نظام جمع البيانات .

يُجري مختبر جيفرسون برنامجًا بحثيًا واسع النطاق يستخدم التفاعل الكهرومغناطيسي لدراسة بنية النيوكليون (البروتونات والنيوترونات)، وإنتاج واضمحلال الميزونات الخفيفة، وجوانب تفاعلات النيوكليونات في نواة الذرة. ^{[ 11 ]} وتتمثل الأدوات الرئيسية في تشتت الإلكترونات وإنتاج واستخدام الفوتونات الحقيقية عالية الطاقة. إضافةً إلى ذلك، يمكن جعل حزم الإلكترونات والفوتونات مستقطبة بدرجة عالية، مما يسمح باستكشاف ما يُسمى بدرجات حرية الدوران المغزلي في الدراسات.

تتميز قاعات التجارب الأربع بأهداف بحثية متميزة ولكنها متداخلة، مع وجود أجهزة فريدة لكل منها.

يضم مختبر JLab أقوى ليزر إلكتروني حر قابل للضبط في العالم ، بقوة خرج تزيد عن 14 كيلوواط .

نظراً لأن مركز CEBAF يُجري ثلاث تجارب متكاملة في وقت واحد، فقد تقرر أن تكون أنظمة جمع البيانات الثلاثة متشابهة قدر الإمكان، لكي يجد الفيزيائيون بيئة مألوفة عند انتقالهم من تجربة إلى أخرى. ولتحقيق هذه الغاية، تم توظيف مجموعة من الفيزيائيين المتخصصين لتشكيل فريق تطوير نظام جمع البيانات، بهدف تطوير نظام مشترك لجميع القاعات الثلاث. وكانت النتيجة نظام CODA ، وهو نظام جمع البيانات عبر الإنترنت الخاص بمركز CEBAF . ^{[ 12 ]}

CODA عبارة عن مجموعة من أدوات البرمجيات والأجهزة الموصى بها لتسهيل نظام جمع البيانات لتجارب الفيزياء النووية . في تجارب الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات ، يقوم نظام جمع البيانات بتحويل مسارات الجسيمات إلى بيانات رقمية، ولكن أجهزة الكشف قادرة على توليد عدد كبير من القياسات الممكنة، أو "قنوات البيانات".

عادةً، تتكون الدوائر الإلكترونية الرقمية، مثل محولات الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC) ومحولات الوقت إلى الرقمية (TDC)، من لوحات دوائر كبيرة مزودة بموصلات في الحافة الأمامية لتوفير مدخلات ومخرجات الإشارات الرقمية، وموصل في الخلف للتوصيل بلوحة خلفية . يتم توصيل مجموعة من هذه اللوحات بهيكل ، أو " صندوق "، يوفر الدعم المادي والطاقة والتبريد للوحات واللوحة الخلفية. يتيح هذا الترتيب ضغط الأجهزة الإلكترونية القادرة على رقمنة مئات القنوات في هيكل واحد.

في نظام CODA، يحتوي كل هيكل على لوحة تحكم ذكية لبقية الهيكل. هذه اللوحة، المسماة وحدة تحكم القراءة (ROC)، تقوم بتهيئة كل لوحة من لوحات التحويل الرقمي عند استقبال البيانات لأول مرة، وتقرأ البيانات من أجهزة التحويل الرقمي، وتُهيئها لتحليلها لاحقًا.

شغل الأشخاص التاليون منصب مدير مرفق توماس جيفرسون الوطني للمسرعات: ^{[ 13 ]}

لا.	صورة	مخرج	بداية الفصل الدراسي	نهاية الولاية	المراجع.
1		هيرمان أ. غروندر	مايو 1985	2000
مؤقتًا		كريستوف دبليو. ليمان	2000	2001
2			2001	1 سبتمبر 2008	[ 14 ]
3		هيو إي. مونتغمري	2 سبتمبر 2008	2 أبريل 2017	[ 15 ] [ 16 ]
4		ستيوارت هندرسون	3 أبريل 2017	1 أغسطس 2024	[ 17 ] [ 18 ]
5		كيمبرلي سوير	2 أغسطس 2024	29 يونيو 2025	[ 19 ]
6		ينس ديلينج	30 يونيو 2025	حاضر	[ 20 ]

• تأثير التوافق الكهرومغناطيسي

• الموقع الرسمي