Voor veel soorten is de winter dient als een tijd om te rusten en te recupereren om het komende jaar sterker terug te keren. In veel opzichten, zo is het ook voor bepaalde grootschalige wetenschappelijke faciliteiten.

In december 2017, de Spallation Neutron Source (SNS) bij het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) ging een langdurige geplande storing van 5 maanden aan om een ​​aantal taken met hoge prioriteit uit te voeren die nodig zijn om een ​​veilige en betrouwbare werking bij hogere vermogens te garanderen. Het meest opvallend waren de vervanging van de binnenste reflectorplug (IRP) van de faciliteit en de radiofrequentie-quadrupool (RFQ) van het gaspedaal.

SNS is de krachtigste op gepulste versneller gebaseerde neutronenverstrooiingsfaciliteit ter wereld. Omdat neutronen geen lading hebben en diep doordringen, ze zijn ideaal voor het bestuderen van fundamenteel gedrag in energie en materialen op atomaire schaal.

Sinds het online kwam in 2006, de unieke faciliteit heeft de grenzen van wetenschap en techniek verlegd, het verhogen van het vermogensniveau en het aantal wetenschappelijke publicaties bijna elk jaar.

Belangrijke wetenschappelijke doorbraken die alleen mogelijk zijn met neutronen bij SNS omvatten ongekende inzichten in het exotische gedrag van het magnetische Majorana-fermion - een veelbelovende bouwsteen voor topologische kwantumcomputers; mitigatie van luchtvervuiling met behulp van vibratiespectroscopie om te karakteriseren hoe een metaal-organisch raamwerkmateriaal kan worden gebruikt om schadelijk stikstofdioxide uit de atmosfeer te verwijderen; en eerste-of-a-kind experimenten zoals het uitvoeren van real-time in situ metingen op een draaiende gasmotor.

SNS genereert neutronen door protonen door een lineaire versneller te stuwen, of linac, en ze in een metalen doelvat gevuld met vloeibaar kwik slaan. Bij impact, "spatten" van neutronen worden gemaakt en naar complexe en krachtige instrumenten gestuurd om te experimenteren.

Weg met de oude, in met de nieuwe

"We werken door drie doelen voor vloeibaar kwik per jaar uit te voeren, wat betekent dat we drie storingen per jaar moeten uitvoeren, " zei Fulvia Pilat, divisiedirecteur van ORNL's Research Accelerator Division. "Normaal gesproken duurt een storing tussen de 3 en 6 weken voor doelwijzigingen en onderhoud, maar de winteronderbreking van 2017-18 moest veel langer duren om de machine voor te bereiden op 1,4 megawatt."

Prioriteit nummer één was de vervanging van de IRP, die in dienst was sinds de faciliteit in 2006 werd gebouwd. De IRP is een groot cilindrisch schip van ongeveer 20 voet lang en met een gewicht van ongeveer 64, 000 pond. Zijn functie is om de neutronen geproduceerd uit het kwikdoel te vertragen en te leiden, gedokt aan de onderkant van de IRP, naar de omringende instrumenten.

Moderators binnen de IRP bevinden zich boven en onder het doel. Twee van de vier moderators zijn bekleed met speciale neutronenabsorberende materialen - gadolinium en cadmium - om de neutronenoutput af te stemmen. Door de jaren heen, de materialen waren uitgeput, en het aanvullen ervan zorgt ervoor dat meer neutronen efficiënt worden gebruikt voor experimenten.

Ook in gebruik sinds 2006 was de RFQ, het eerste versnellingselement van de voorkant van het gaspedaal. De RFQ ontvangt waterstofionen die worden gegenereerd door de ionenbron en geeft de deeltjes de initiële boost van versnelling langs de lijn.

"Het grootste probleem met de offerteaanvraag was de verzending. 100% van de ionen ging naar de RFQ, maar slechts 60% kwam uit. Dat betekent dat 40% van de straal werd verspild, " zei Pilat. "Om op hogere vermogensniveaus te werken, wil je de stroom optimaliseren, en de nieuwe RFQ is eigenlijk ontworpen en gebouwd om dat te verbeteren."

Het was een grote klus, ze legde uit. Het maandenlange proces van het vervangen van de RFQ betekende eerst het loskoppelen van de oude structuur van het gaspedaal en het opnieuw opbouwen van de systemen die in de RFQ werden ingevoerd, zoals de controle, vacuüm, en koelsystemen. Volgende, het team moest de nieuwe RFQ zorgvuldig vervoeren vanuit ORNL's Beam Test Facility, waar het zich al enkele jaren in de opstartfase bevond, en plaats het met precisie in zijn nieuwe huis. Eindelijk, de oude RFQ werd weer in elkaar gezet in de Beam Test Facility voor experimenten met hoge-energiefysica.

"Nutsvoorzieningen, we zitten in het transmissieniveau van 90%. Dus dat was een groot succes ’ zei Pilatus.

Verstandig gebruik van middelen

Naast het vervangen van belangrijke hardware, twee andere cruciale taken waren de plasmaverwerking van enkele cryomodules van de versneller en de omzetting van licht naar zwaar water in de faciliteit.

Tijdens de productie van neutronen, koolwaterstofophoping vindt plaats in de binnenste elementen van de cryomodules van de versneller - grote, tonvormige capsules die de straal focussen en versnellen - en de elektrische velden die worden gegenereerd voor straalversnelling afzwakken.

Een handvol cryomodules werd schoongemaakt met behulp van een techniek die plasmaverwerking wordt genoemd, waarbij eigenlijk, heet plasma wordt in de versnellende holtes geïnjecteerd om de verontreiniging af te branden en vervolgens als gas weggepompt. Omdat het in situ kan worden gedaan en de structuur niet van het gaspedaal hoeft te worden verwijderd, de techniek heeft de onderhoudstijd teruggebracht van maanden tot weken.

"Profiteren van de lange tijd die we hadden om sommige cryomodules te verwerken, was een ander succes, "zei Pilat. "Als gevolg daarvan, de versneller heeft zijn ontwerpenergiedrempel van 1,0 giga-elektronvolt bereikt."

Om de intense hitte te verminderen die wordt gegenereerd door de protonen die het metalen doelwit raken, de IRP wordt gekoeld met water. Licht water - hetzelfde als drinkwater - wordt gebruikt sinds de operaties in 2006 begonnen. Zwaar water - dat veel wordt gebruikt in kernreactoren - bevat meer deuterium dan normaal water en absorbeert aanzienlijk minder neutronen.

"Het vervangen van de lichte waterkoeling van de IRP door zwaar water geeft een gemiddelde winst van ongeveer 20% in het aantal neutronen dat de bundellijnen verlicht, " zei Ken Herwig, groepsleider Instrument Methoden, projecten, en Technologieën. "Deze toename van de neutronenflux maakt kortere tijd-opgeloste in situ-metingen en metingen aan kleinere of zwakkere verstrooiingsmonsters mogelijk."

Alles op een rijtje

Planning was van vitaal belang voor de uitvoering en voltooiing van het werk, zegt SNS-storingsmanager Glen Johns. Er werd geavanceerde planningssoftware gebruikt om de voortgang te bewaken en de toewijzing van middelen mogelijk te maken op basis van de prioriteit van kritieke en niet-kritieke taken.

"Met meer dan 1, 500 activiteiten om te beheren, logica-gestuurde, resource-loaded plannen waren van cruciaal belang voor ons succes, " zei Johns.

Het succes van de langdurige storing toonde het vermogen aan om grootschalige upgrades en bouwprojecten te plannen en veilig uit te voeren. In de toekomst, SNS-projecten omvatten de Proton Power Upgrade, die het SNS-vermogen zal verdubbelen tot 2,8 megawatt, en het tweede doelstation dat nieuwe wetenschappelijke wegen zal openen voor nieuwe complexe materialen die nodig zijn om de Amerikaanse economie te ondersteunen en oplossingen te bieden voor uitdagingen op het gebied van energie, veiligheid, en vervoer.

Voor hun werk, het IRP-vervangingsteam ontving de Laboratory Director's Award voor de succesvolle uitvoering van de complexe taak. De winnaars waren onder meer Michael Baumgartner, Douglas Bruce, Michael Dayton, John Denison, Christi Elam, Linda Farr, Nate Foster, Kevin Hamby, Scott Helus, Jim Jannie, Mark Lyttle, en David Proveaux.