Decennia lang zijn natuurkundigen en onderzoekers van over de hele wereld naar de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie gekomen om de subatomaire mysteries van hoe het universum werkt te ontrafelen.

Hier is de Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) van wereldklasse een wonder van wetenschap en technologie, een DOE-gebruikersfaciliteit en een ondergronds "racebaan" dat elektronenbundels met bijna de lichtsnelheid op zorgvuldig gekozen doelen in maximaal vier experimentele zalen tegelijk. Met deze elektronenbundels kunnen wetenschappers de cascade van vluchtige deeltjes bestuderen die worden geproduceerd in de elektron-doelbotsingen voor hun onderzoek.

Beamtime is kostbaar, dus experimenten worden zorgvuldig doorgelicht en jaren van tevoren geboekt.

Maar wat gebeurt er als dit gewilde wonder breekt?

De vraag is niet academisch. In april toonden sensoren aan dat een vacuümafdichting was gefaald in een kritiek gebied van de injector - de helikopter - waar elektronen worden gesorteerd door grote koperen holtes en worden geleid voor experimenten, die in verschillende gebieden aan het einde van de versneller lopen. Maar zonder die vacuümafdichting zal de buitenlucht die we inademen die holtes binnendringen, het systeem vervuilen en de werking van het gaspedaal effectief verlammen.

Dus een ad-hocteam van experts van de accelerator- en engineeringdivisies verzamelde zich om de situatie te diagnosticeren en uit te zoeken hoe deze kon worden opgelost. Snel. Gelukkig naderde de machine het einde van een geplande stopzetting van drie maanden voor onderhoud, dus experimenten werden niet onmiddellijk beïnvloed.

"Dat was een gelukkige timing", zegt Joe Grames, hoofd van het laboratoriumcentrum voor injectoren en bronnen, dat alle hoogwaardige deeltjesbundelbronnen voor injectoren en versnellers van het laboratorium bouwt en onderhoudt.

Het team had nog ongeveer een maand om de CEBAF-chopper klaar te maken voor gebruik voordat gebruikers weer elektronenbundels nodig zouden hebben.

'Alle hens aan dek'

"Er was een proces voor nodig om het probleem te vinden", zegt Mark Wissmann, een stafmedewerker radiofrequentie (RF) elektrotechnisch ingenieur en kernteamlid.

"Het vergde speurwerk, niet zo anders dan een puzzel. Het was zowel uitdagend als lonend tegelijk", zei Grames. "Mensen met veel expertise en ervaring op het gebied van vacuüm droegen bij aan deze totaaloplossing door hun ogen op al hun systemen te richten. Het was een soort van alle-hands-aan-dek voor de injectoren."

De bijna anderhalve kilometer lange CEBAF-versneller staat volledig onder vacuüm, op letterlijk minder dan een miljardste van de luchtdruk die we inademen, ondanks duizenden verbindingen en gelaste onderdelen. Als een onderdeel uitvalt of kapot gaat, kan er een klein lek ontstaan ​​dat kan worden opgespoord en vervolgens in-house vervangen of snel gerepareerd. Dit nieuwe lek was niet een van de gebruikelijke verdachten. Dus teamleden breidden hun assortiment uit van het gebruikelijke.

Het kostte ongeveer een dag om het probleem op te sporen naar de straal "chopper" - een onderdeel van een uniek systeem dat ongeveer 40 jaar eerder op maat was ontworpen en gebouwd.

"We hebben letterlijk een turbopomp aangesloten op het vacuümsysteem en we hebben een stuk slang van een kwart inch genomen, en je kon het 'Sssss' horen gaan," zei Kevin Jordan, een stafingenieur en hoofd van de Diagnostics. Ontwikkelingsgroep in het Centre for Advanced Studies of Accelerators van het lab. "Het was vrij duidelijk waar het probleem zat."

En het was ook vrij duidelijk wat er op het spel stond:zonder een beam chopper kan de CEBAF zijn vier experimentele hallen niet runnen.

"Dat specifieke systeem is niet alleen cruciaal voor het hebben van meerdere gebruikers, het is ook uniek omdat we er bij CEBAF maar één van gebruiken", zegt Grames. "Het is als een straalcentrale in ruimte en tijd. Door een helikopter te hebben, kunnen we straal aan vier gebruikers tegelijk leveren, en dat is een groot probleem voor onze gebruikersgemeenschap en een belangrijke maatstaf voor operaties."

Het kapotte onderdeel was een chopper-koppeling, een koperen cilinder van ongeveer vier inch met meerdere interne onderdelen. Om het te repareren, nam het team contact op met Jake Haimson, de gewaardeerde acceleratorfysicus die vier decennia eerder hielp bij het ontwerpen en op maat bouwen van de CEBAF-helikopter.

"Ik was verrast hoe snel hij zich zoveel technische details over dit onderdeel herinnerde", zei Jordan.

"Hij was enthousiast en enthousiast om ons te helpen," zei Grames. "Hij is erg geïnteresseerd in het helpen van versnellers om hun zaken te doen."

Haimson is nu 95, president van de Haimson Research Corporation in Santa Clara, Californië, en hij is nog steeds actief in het ontwerpen en onderhouden van versnellers in veel landen.

Wanneer een storing in een van die faciliteiten zo ernstig is dat het niet in-house kan worden opgelost, wordt hij erbij gehaald. Het is cruciaal werk waardoor hij de hele wereld over blijft draven.

"Je hebt het zo druk dat je geen tijd hebt om achterover te leunen en je er echt goed bij voelt, want je krijgt weer een contract en je moet onmiddellijk naar een ander regime", zei Haimson. "Het is alsof je veel kinderen hebt die je eropuit stuurt - ze worden na een tijdje volwassen. Dus we voelen ons natuurlijk verplicht, en als iemand in de problemen zit, reageer je natuurlijk meteen."

Zeldzame reparaties op de tap

Ongeveer 20 jaar geleden werden Haimson en zijn team ingeschakeld voor een ander ernstig probleem met de helikopter en werkten dag en nacht om de reparatie binnen vier dagen terug te krijgen bij Jefferson Lab.

Deze keer was het probleem een ​​heel klein onderdeel van zo'n 200 onderdelen in de grote helikopterholte:de RF-vermogenskoppeling van de chopper.

"De isolator was gebarsten", zei Haimson. "Toen het eenmaal barstte, verloor het het vacuüm."

Jefferson Lab heeft de chopper-koppeling naar Haimson gestuurd, die hem binnen ongeveer twee weken heeft gerepareerd en teruggestuurd.

"We hadden veel geluk, want we hadden alle oude armaturen en de mallen en de reserveonderdelen", zei Haimson. "Belangrijker was dat we veel van de goud- en zilverlegering op voorraad hadden die nodig is tijdens het solderen."

Tegelijkertijd streefden de experts van Jefferson Lab vurig naar een parallelle interne aanpak:het ontwerpen en fabriceren van een vervangende koppeling op basis van het ontwerp van Haimson, maar dan robuuster.

"Ik keek naar het onderdeel en zei:'Laten we er gewoon een maken'", zei Jordan. "Het enige wat we hoeven te doen is dit kopiëren. Het is een blok koper, we moeten er wat gaten in boren, we moeten wat dingen hardsolderen, we moeten wat dingen lassen, we moeten doe dit en dat."

Dus Joe Gubeli, een ingenieur van Jefferson Lab, hielp bij het maken van een 3D-model van het nieuwe onderdeel. Het team vroeg Haimson om het ontwerp te beoordelen en stuurde het vervolgens naar de machinewerkplaats van het laboratorium. Toen de technici de koppeling produceerden, voerden Wissmann en zijn bemanning RF-metingen uit om te bevestigen dat het een betrouwbare verbeterde kopie van het origineel was, en vervolgens installeerden ze het begin mei. Het werkte perfect!

"Toen ik in het operatielogboek een vermelding zag waarin stond dat de helikopter werkt zoals voorheen, was dat een combinatie van opluchting en euforie", zei Wissmann.

Ondertussen houdt Jefferson Lab het gerepareerde onderdeel van Haimson als reserve.

"Het is onze eerste reserve en we maken er meer", zei Grames. "Het is een leermethode."

Interne expertise zal belangrijker worden voor CEBAF en andere lineaire versnellers nu Haimson na meer dan een halve eeuw bezig is zijn bedrijf te ontbinden.

"Een van de belangrijkste factoren van ons succes was dat we, toen we speciale machines ontwikkelden, ook veel moeite hebben gedaan om het personeel op te leiden en ervoor te zorgen dat ze zelfvoorzienend zijn", zei Haimson. "Het zelfgemaakte gedeelte leek aardig te lukken. En dat is mooi, want zo hebben ze echt grip op deze dingen, volgen het en kunnen het meteen aan."

Maar liefst 20 natuurkundigen, ingenieurs en technici van Jefferson Lab - met een kerngroep van een half dozijn - hebben de hand gehad om de CEBAF-helikopter op tijd aan de gang te krijgen, zodat het grotere operationele team van CEBAF de rest van de installatie opnieuw in gebruik kon nemen. de machine en voer de straal naar experimenten weer op schema uit.

'Het is als sporten op een ladder,' zei Grames. "Elke sport is belangrijk. Mensen hebben expertise en we moeten ze allemaal samenbrengen om te komen waar we moeten zijn." + Verder verkennen

Spinnende elektronen leveren positronen op voor onderzoek