Eksperter går all in, når CEBAF er i problemer

I årtier er fysikere og forskere fra hele kloden strømmet til det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility for at låse op for de subatomære mysterier om, hvordan universet fungerer.

Her er verdensklasses Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) et vidunder af videnskab og teknologi, en DOE-brugerfacilitet og underjordisk "væddeløbsbane", der sprænger elektronstråler med næsten lysets hastighed ved omhyggeligt udvalgte mål i op til fire forsøgshaller samtidigt. Disse elektronstråler giver forskere mulighed for at studere kaskaden af ​​flygtige partikler produceret i elektron-mål-kollisioner til deres forskning.

Beamtime er værdifuldt, så eksperimenter er nøje undersøgt og booket år i forvejen.

Men hvad sker der, når dette eftertragtede vidunder går i stykker?

Spørgsmålet er ikke akademisk. I april viste sensorer, at en vakuumforsegling var svigtet i et kritisk område af injektoren - chopperen - hvor elektroner sorteres efter store kobberhulrum og ledes til eksperimenter, som kører i forskellige områder for enden af ​​acceleratoren. Men uden den vakuumforsegling vil den udefrakommende luft, vi indånder, trænge ind i disse hulrum, hvilket forurener systemet og effektivt lammer acceleratordriften.

Så et ad hoc-team af eksperter fra accelerator- og ingeniørdivisionerne samledes for at diagnosticere situationen og finde ud af, hvordan man fikser den. Hurtig. Heldigvis nærmede maskinen sig slutningen af ​​en planlagt tre-måneders nedlukning for vedligeholdelse, så eksperimenter blev ikke umiddelbart påvirket.

"Det var heldig timing," sagde Joe Grames, leder af laboratoriets Center for Injektorer og Kilder, som bygger og vedligeholder alle laboratoriets højtydende partikelstrålekilder til injektorer og acceleratorer.

Holdet havde ca. en måned tilbage af nedlukningen for at gøre CEBAF-chopperen klar til at gå, før brugerne skulle bruge elektronstråler igen.

'Alle hænder på dækket'

"Det krævede en proces at finde problemet," sagde Mark Wissmann, en stabstekniker for radiofrekvens (RF) og kerneteammedlem.

"Det krævede gennemgang, ikke så forskelligt fra et puslespil. Det var både udfordrende og givende på samme tid," sagde Grames. "Folk med en masse vakuumekspertise og -erfaring bidrog til denne overordnede løsning, idet de satte deres øjne på alle deres systemer. Det var en slags alt-hånd-på-dækket for injektorområdet."

Den næsten kilometer lange CEBAF-accelerator er helt under vakuum, ved bogstaveligt talt mindre end en milliard af det lufttryk, vi indånder, på trods af tusindvis af samlinger og svejsede dele. Hvis en del svigter eller går i stykker, kan det forårsage en lille lækage, der kan spores og derefter udskiftes eller hurtigt repareres internt. Denne nye lækage var ikke en af ​​de sædvanlige mistænkte. Så teammedlemmer udvidede deres sortiment fra det sædvanlige.

Det tog en dag eller deromkring at spore problemet til stråle-"chopperen" - en komponent til et unikt system, der var specialdesignet og bygget omkring 40 år tidligere.

"Bogstaveligt talt, hvad vi gjorde, var, at vi havde en turbopumpe forbundet til vakuumsystemet, og vi tog et kvart tomme stykke slange, og man kunne høre det sige 'Sssss'," sagde Kevin Jordan, en stabsingeniør og leder for Diagnostics. Udviklingsgruppe i laboratoriets Center for Avancerede Studier af Acceleratorer. "Det var ret tydeligt, hvor problemet var."

Og det var også ret tydeligt, hvad der var på spil:Uden en strålehakker kan CEBAF ikke køre sine fire forsøgshaller.

"Det særlige system er, udover at være afgørende for at have flere brugere, unikt ved, at vi kun betjener én af dem på CEBAF," sagde Grames. "Det er som en strålekoblingsplads i rum og tid. Ved at have en chopper kan vi levere stråle til fire brugere på én gang, og det er en stor ting for vores brugerfællesskab og en vigtig målestok for driften."

Den ødelagte komponent var en chopperkobling, en cirka fire tommer kobbercylinder med flere indvendige dele. For at reparere den tog holdet ud til Jake Haimson, den ansete acceleratorfysiker, som hjalp med at designe og specialbygge CEBAF-chopperen fire årtier tidligere.

"Jeg var overrasket over, hvor hurtigt han huskede så mange tekniske detaljer om denne del," sagde Jordan.

"Han var ivrig og spændt på at hjælpe os," sagde Grames. "Han er meget interesseret i at hjælpe acceleratorer med at gøre deres forretninger."

Haimson er 95 i dag, præsident for Haimson Research Corporation med base i Santa Clara, Californien, og han er stadig aktiv med at designe og vedligeholde acceleratorer i mange lande.

Når et nedbrud til et af disse faciliteter er alvorligt nok til, at det ikke kan håndteres internt, bliver han hentet ind. Det er kritisk arbejde, der får ham til at trave kloden rundt.

"Du har så travlt, at du ikke har tid til at stå tilbage og virkelig føle dig godt tilpas, fordi du er ramt igen med en anden kontrakt, og du skal straks gå til et andet regime," sagde Haimson. "Det er ligesom at have en masse børn, som du har sendt ud - de bliver modne efter et stykke tid. Så selvfølgelig føler vi en forpligtelse, og hvis nogen er i problemer, svarer du selvfølgelig med det samme."

Sjældne reparationer på tryk

For omkring 20 år siden blev Haimson og hans team indkaldt til et andet alvorligt problem med chopperen og arbejdede dag og nat for at få reparationen tilbage til Jefferson Lab på under fire dage.

Denne gang var problemet en meget lille del blandt omkring 200 dele inde i det store chopper-hulrum:Chopper RF-strømkobleren.

"Isolatoren var revnet," sagde Haimson. "Når den først revnede, mistede den vakuumet."

Jefferson Lab sendte chopperkoblingen til Haimson, som reparerede og returnerede den på omkring to uger.

"Vi var meget heldige, for vi havde alt det gamle inventar og jiggene og reservedele," sagde Haimson. "Vigtigere er det, at vi havde en masse af den guld- og sølvlegering på lager, der kræves under lodningen."

Samtidig forfulgte Jefferson Labs eksperter brændende en parallel intern tilgang:at designe og fremstille en erstatningskobling baseret på Haimsons design, men mere robust.

"Jeg kiggede på komponenten og sagde:'Lad os bare lave en'," sagde Jordan. "Alt vi skal gøre er at kopiere det her. Det er en kobberblok, vi skal bore nogle huller i den, vi skal lodde nogle ting, vi skal svejse nogle ting, vi skal gør det og det."

Så Joe Gubeli, en Jefferson Lab-ingeniør, hjalp med at skabe en 3D-model af den nye del. Holdet bad Haimson om at gennemgå designet og sendte det derefter til laboratoriets maskinværksted. Da teknikerne producerede koblingen, foretog Wissmann og hans besætning RF-målinger for at bekræfte, at det var en pålidelig opgraderet kopi af originalen, og så installerede de den i begyndelsen af ​​maj. Det fungerede perfekt!

"Da jeg så en post i operationslogbogen, der sagde, at helikopteren fungerer, som den gjorde før, var det en kombination af lettelse og eufori," sagde Wissmann.

I mellemtiden beholder Jefferson Lab Haimsons reparerede komponent som en reservedel.

"Det er vores første reserve, og vi laver mere," sagde Grames. "Det er en læringsmetode."

Intern ekspertise vil blive vigtigere for CEBAF og andre lineære acceleratorer, nu hvor Haimson er i gang med at opløse sin virksomhed efter mere end et halvt århundrede.

"En af de vigtigste faktorer for vores succes har været, at når vi har udviklet specielle maskiner, har vi også gjort os store besvær med at træne personalet og sikre, at de er selvforsynende," sagde Haimson. "Den hjemmelavede del så ud til at fungere ret godt. Og det er rart, for det betyder, at de virkelig har fået fat i de her ting, og de følger det og kan klare det med det samme."

Hele 20 Jefferson Lab-fysikere, ingeniører og teknikere – med en kernegruppe på et halvt dusin – havde en hånd med at få CEBAF-chopperen op at køre i tide, så det større CEBAF-operationsteam kunne fortsætte med at genindsætte resten af maskinen og kør stråle til eksperimenter igen efter tidsplanen.

"Det er ligesom trin på en stige," sagde Grames. "Hvert trin er vigtigt. Folk har ekspertise, og vi er nødt til at samle dem alle sammen for at komme derhen, hvor vi skal være." + Udforsk yderligere

Spinnende elektroner giver positroner til forskning