Die unterirdische Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums ähnelt eher einer Rennstrecke als einem Rennwagen. Als Nutzereinrichtung des DOE Office of Science verfügt CEBAF über einen Teilchenbeschleuniger, der die Forschung von mehr als 1.900 Kernphysikern weltweit ermöglicht.
Der Teilchenbeschleuniger hat die Form eines 1,2 Kilometer langen Ovals, und sein Elektronenstrahl rast mit nahezu Lichtgeschwindigkeit um die „Bahn“. Reifen, Getriebe oder Fahrgestell sind nicht zu sehen.
Überlassen Sie es einem ehemaligen Automechaniker, diesen Vergleich umzustellen.
„Es ist wie ein altes Auto da unten“, sagte Chris Wilcox, leitender Kryomodul-/Vakuumtechniker. „Einige der ursprünglichen Kryomodule, die seit Anfang der 90er Jahre dort unten sind, müssen überarbeitet werden.“
In der Automobilbranche sind Kryomodul-Montagetechniker Mechaniker in der „Garage“ des Jefferson Lab – dem weltberühmten Superconducting Radiofrequency (SRF) Institute. Sie reparieren und ersetzen Kryomodule, die modulare Abschnitte eines SRF-Teilchenbeschleunigers sind. Doch der Austausch der verschlissenen Kryomodule des CEBAF ist nur eine Facette ihrer Präzisionsarbeit.
Unter der Leitung von Accelerator Associate John Fischer sind die Montagetechniker für Kryomodule Mitglieder des Kryomodul-Produktionsteams in der SRF-Betriebsabteilung des Labors. Diese Meisterhandwerker bauen, testen und installieren Kryomodule nach Maß, die komplexen Maschinen, die es CEBAF ermöglichen, seinen Elektronenstrahl auf Energien von bis zu 12 Milliarden Elektronenvolt oder 12 GeV zu bringen. Ihre Arbeit für diese einzigartige Einrichtung und andere nationale Labore trägt maßgeblich dazu bei, die Grenzen wissenschaftlicher Entdeckungen zu erweitern.
Den Sprung wagen
Wie also gelang es dieser Gruppe ehemaliger Mechaniker, Hersteller, Schweißer und anderer Handwerker, in die Welt der Beschleunigertechnologie einzusteigen? Für viele war dazu ein Vertrauensvorschuss nötig, der von dem gemeinsamen Ziel getragen war, ihre Fähigkeiten zu erweitern und ihre Karriere voranzutreiben.
„Wenn man hierherkommt, muss man definitiv eine Lernkurve in Bezug auf den Montageprozess von Kryomodulen durchlaufen, weil niemand außerhalb von hier etwas Vergleichbares sieht. Aber der Schweißaspekt ist sehr ähnlich und ich habe darin viel Erfahrung“, sagt Matt Morgan, Schweißer/Techniker für die Kryomodulmontage, der zuvor als Fertigungsleiter und Rohrschweißer bei Newport News Shipbuilding gearbeitet hat.
„Die Fähigkeiten, die ich in diese Position mitbrachte, waren die Arbeit mit Handwerkzeugen und die Arbeit an Dingen, mit denen man vorsichtig umgehen muss“, fügte Wayne Carter, Montagetechniker für Kryomodule, hinzu, der aus einer Autowerkstatt ins Labor kam. „Aber hier ist es ganz anders, denn man kann etwas Kostbares sehr leicht zerstören. Ich habe viel gelernt, als ich hierher kam.“
Troy Pollard, Montagetechniker für Kryomodule, stimmt zu.
„Bei der Arbeit an Autos kann man etwas grober vorgehen“, sagt Pollard, ein ehemaliger Mechaniker, Klimatechniker und Bauarbeiter. „Aber bei der Arbeit an Kryomodulen muss man behutsam und kalkuliert vorgehen.“
Nach Jahren der Arbeit in Autowerkstätten in der Region Hampton Roads sagte Wilcox, er sei bereit für eine Veränderung.
„Mir wurde klar, dass ich das nicht für den Rest meines Lebens machen wollte, und ich wollte nicht unglücklich sein wie alle anderen um mich herum“, sagte Wilcox. „Ich fuhr jeden Tag auf dem Weg zur Arbeit und wieder zurück am Labor vorbei. Eines Tages rief ich die Website auf, sah mir einige Jobs und Beschreibungen an und mir wurde klar, dass ich einige dieser Dinge machen könnte, weil es alles praktische Arbeit ist.“
Langjährige Mitglieder des Kryomodul-Montageteams wie Wilcox und der Kryomodul-Montagemitarbeiter Jared Martin haben den Umfang der Arbeit des SRF-Instituts wachsen und sich weiterentwickeln sehen.
In seiner 14-jährigen Karriere im Labor hat Martin erlebt, wie sich sowohl die Größe des Teams als auch sein Arbeitspensum fast verdreifacht haben.
Neben dem Bau der Kryomodule, die das 12 GeV CEBAF Upgrade des Jefferson Lab und viele andere Projekte mit Energie versorgten, hat die Gruppe auch Kryomodule für andere Einrichtungen des DOE Office of Science zusammengebaut, darunter das Protonen-Leistungssteigerung der Spallationsneutronenquelle des Oak Ridge National Laboratory und zwei Upgrades der Linac Coherent Light Source des SLAC National Accelerator Laboratory: die LCLS-II-Upgrade und das LCLS-II High Energy (LCLS-II-HE)-Upgrade, das derzeit in Arbeit ist.
Der Montageprozess
Obwohl jeder Montageprozess für Kryomodule unterschiedlich ist, folgen die Phasen des Baus und Testens dieser Maschinen einem ähnlichen Ablauf. Wilcox führte die C100-Kryomodule des Jefferson Lab als Beispiel dafür an, wie die Teile zusammengefügt werden, um den Elektronenstrahl von CEBAF zu beschleunigen.
Alles beginnt mit einer „Kette“ aus acht verbundenen SRF-Hohlräumen, den birnenförmigen, hohlen Niobzellen, durch die der Strahl hindurchgeht. Um supraleitend zu werden, müssen die Hohlräume auf eine Temperatur von -456 Grad Fahrenheit gekühlt werden, was kälter ist als der Weltraum.
Um jeden Hohlraum herum werden Gefäße gebaut, die superkaltes flüssiges Helium enthalten sollen. Anschließend wird die atmosphärische Luft aus jedem Gefäß abgesaugt, um ein Vakuum zu erzeugen, das mit Heliumgas auf Lecks geprüft wird.
Laut Wilcox würden Lecks, die klein genug wären, um einen Fingerhut über einen Zeitraum von 10 Jahren mit Helium zu füllen, den Test nicht bestehen.
Sobald die Behälter qualifiziert sind, wird die Hohlraumkette mit magnetischer Abschirmung, Mehrschichtisolierung (MLI) und geschweißten Prozessrohrleitungen gebaut, die den Behälter mit flüssigem Helium versorgen.
Nachdem der „Kern“ des Kryomoduls nun fertig ist, wird er in eine Stützstruktur, ein sogenanntes Raumfachwerk, gesetzt und mit einer Wärmeabschirmung und einem MLI umhüllt. In Zusammenarbeit mit dem Vermessungs- und Ausrichtungsteam des Labors stellen die Techniker eine präzise Ausrichtung der Strahllinie sicher, die normalerweise auf einen halben Millimeter genau ist. Große Abweichungen könnten die Leistung des Strahls beeinträchtigen.
Anschließend wird die „kalte Masse“ in ein großes Vakuumgefäß gegeben, an dem Anschlüsse, Messgeräte, Sensoren und Druckbegrenzungsventile angebracht sind. An jedem Ende des Moduls sind zwei „Enddosen“ angebracht, die für den Kreislauf von flüssigem und gasförmigem Helium ausgelegt sind, wobei an beiden Seiten Strahlrohre von warm nach kalt verlängert sind.
Um die Strahllinie durch jedes Endstück zu verlängern, werden mobile Reinräume der Klasse 100 – frei von Staub und Partikeln – verwendet, während Techniker die Vakuumgrenzen abdichten. Selbst die geringste Verunreinigung kann die Leistung des Kryomoduls drastisch beeinträchtigen.
Nach der Abnahmeprüfung wird das fertige Kryomodul in den Beschleuniger eingebaut.
Wenn während dieses langwierigen Prozesses Komponenten ausfallen oder die Vakuumdichtungen beschädigt werden, muss möglicherweise das gesamte Kryomodul zerlegt und neu aufgebaut werden, was Monate zusätzlicher Arbeit und eine erhebliche Kostensteigerung bedeutet.
„Um ehrlich zu sein, mag ich den ständigen Druck“, sagte Morgan. „Aber man muss alles doppelt überprüfen. Manchmal, wenn ich mich darauf vorbereite, etwas zu schneiden, komme ich kurz vorher rein und überprüfe es noch einmal, bevor ich es einrichte.“
Pollard fügte hinzu: „Es ist auf jeden Fall einschüchternd, weil diese Dinge so komplex sind.“
Auch Kryomodule, die für andere nationale Labore gebaut werden, müssen so perfekt wie möglich sein. Kürzlich teilte Martin mit, dass die acht für das SNS-PPU-Projekt hergestellten Kryomodule bei ihrer Ankunft in der Anlage in Oak Ridge ihren Spezifikationen entsprachen.
Ein Maßstab der Exzellenz
Wenn nahezu Perfektion der Standard ist, ist es nur natürlich, dass das Team enorm stolz auf seine meisterhafte Arbeit ist, wenn alles wie geplant zusammenkommt.
„Wenn hier ein dichtes Kryomodul herauskommt, bin ich stolz darauf“, sagte Willcox. „Wenn die Leistung der Hohlräume im Kryomodul getestet wird und die Spezifikationen erfüllt oder übertrifft, ist das ein stolzer Moment, denn es gibt viele Dinge, die über Erfolg oder Misserfolg eines Kryomoduls entscheiden können. Aber das werden wir erst wissen, wenn wir es getestet haben.“
„Ein fertiges und funktionsfähiges Kryomodul ist für alle ein stolzer Moment.“
Über die Arbeit selbst hinaus binden die gesellschaftlichen Vorteile der Beschleunigerwissenschaft und -technologie die Techniker der Kryomodulmontage sowohl an die Mission des Labors als auch an ein höheres Ziel. So wurden beispielsweise Fortschritte in der Medizin, darunter moderne Bildgebung und Krebstherapien, durch die Forschung, Entwicklung und Produktion von Teilchenbeschleunigern möglich.
Für Carter ist dieser Aspekt seiner Arbeit zutiefst persönlich.
„Als ich mich für den Job bewarb, war ich zu Hause, weil meine Frau gerade eine schwere Operation an Dickdarmkrebs hinter sich hatte. Später im selben Jahr wurde sie wegen Gebärmutterkrebs operiert“, sagte Carter. „Sie hat den Krebs besiegt. Es bedeutet mir wirklich viel, an etwas zu arbeiten, das möglicherweise dazu beitragen könnte, diese schreckliche Krankheit zu besiegen.“
Trotz der Arbeit unter hohem Druck und mit viel Einsatz gelingt es dem Team, die Kameradschaft und die unbeschwerten Momente zwischen den intensiven Aufgaben zu bewahren. Wilcox sagte, die gute Stimmung im Team rühre von Dankbarkeit und beruflichen Erfolgen her.
„Wir wissen alle, woher wir kommen“, sagte Wilcox. „Ein schlechter Tag hier ist besser als ein guter Tag in unseren alten Jobs.“
Morgan fügte hinzu: „Hier arbeitet man gern, denn an vielen anderen Orten versuchen die Leute, ihren Ruhestand woanders zu verbringen. Wenn Sie zum Jefferson Lab kommen, gehen Sie hier in den Ruhestand. Das ist definitiv das Endziel, und das macht es zu einer angenehmen Umgebung.“