Seit Jahrzehnten strömen Physiker und Forscher aus der ganzen Welt in Scharen zur Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums, um die subatomaren Geheimnisse der Funktionsweise des Universums zu entschlüsseln.
Hier ist die erstklassige Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) ein Wunderwerk der Wissenschaft und Technologie, eine DOE-Benutzereinrichtung und eine unterirdische „Rennstrecke“, die Elektronenstrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf sorgfältig ausgewählte Ziele in bis zu vier schießt Versuchshallen gleichzeitig. Diese Elektronenstrahlen ermöglichen es Wissenschaftlern, die Kaskade flüchtiger Teilchen, die bei Elektron-Target-Kollisionen entstehen, für ihre Forschung zu untersuchen.
Strahlzeit ist kostbar, daher werden Experimente sorgfältig geprüft und Jahre im Voraus gebucht.
Doch was passiert, wenn dieses begehrte Wunderwerk kaputt geht?
Die Frage ist nicht akademisch. Im April zeigten Sensoren, dass eine Vakuumdichtung in einem kritischen Bereich des Injektors – dem Zerhacker – ausgefallen war, wo Elektronen durch große Kupferhohlräume sortiert und für Experimente geleitet werden, die in bestimmten Bereichen am Ende des Beschleunigers laufen. Aber ohne diese Vakuumdichtung wird die Außenluft, die wir atmen, in diese Hohlräume eindringen, das System kontaminieren und den Beschleunigerbetrieb effektiv lahmlegen.
Also stellte sich ein Ad-hoc-Team von Experten aus den Beschleuniger- und Ingenieurabteilungen zusammen, um die Situation zu diagnostizieren und herauszufinden, wie sie behoben werden kann. Schnell. Glücklicherweise näherte sich die Maschine dem Ende einer geplanten dreimonatigen Wartungspause, sodass die Experimente nicht sofort beeinträchtigt wurden.
„Das war ein glückliches Timing“, sagte Joe Grames, Leiter des Zentrums für Injektoren und Quellen des Labors, das alle Hochleistungs-Teilchenstrahlquellen des Labors für Injektoren und Beschleuniger baut und wartet.
Das Team hatte noch etwa einen Monat Zeit, um den CEBAF-Chopper einsatzbereit zu machen, bevor die Benutzer wieder Elektronenstrahlen benötigen würden.
‚Alle Mann an Deck‘
„Es bedurfte eines Prozesses, um das Problem zu finden“, sagte Mark Wissmann, Elektroingenieur für Hochfrequenz (HF) und Mitglied des Kernteams.
„Es erforderte Detektivarbeit, nicht viel anders als bei einem Puzzle. Es war sowohl herausfordernd als auch lohnend zugleich“, sagte Grames. „Leute mit viel Vakuum-Know-how und Erfahrung haben zu dieser Gesamtlösung beigetragen und ihre Augen auf alle ihre Systeme gerichtet. Es war eine Art All-Hands-on-Deck für den Injektorbereich.“
Der fast eine Meile lange CEBAF-Beschleuniger steht vollständig unter Vakuum, bei buchstäblich weniger als einem Milliardstel des Luftdrucks, den wir atmen, trotz Tausender Verbindungen und geschweißter Teile. Wenn ein Teil ausfällt oder kaputt geht, kann dies zu einem kleinen Leck führen, das aufgespürt und dann ersetzt oder schnell intern repariert werden kann. Dieses neue Leck war keiner der üblichen Verdächtigen. Also erweiterten die Teammitglieder ihr Angebot über das Übliche hinaus.
Es dauerte etwa einen Tag, um das Problem bis zum Strahl-„Chopper“ aufzuspüren – einer Komponente eines einzigartigen Systems, das etwa 40 Jahre zuvor speziell entworfen und gebaut wurde.
„Wir haben buchstäblich eine Turbopumpe an das Vakuumsystem angeschlossen und ein Viertel-Zoll-Stück Schlauch genommen, und man konnte es ‚Sssss‘ sagen hören“, sagte Kevin Jordan, ein leitender Ingenieur und Leiter der Diagnostik Entwicklungsgruppe im Center for Advanced Studies of Accelerators des Labors. „Es war ziemlich offensichtlich, wo das Problem lag.“
Und es war auch ziemlich klar, worum es ging: Ohne Strahlzerhacker kann die CEBAF ihre vier Experimentierhallen nicht betreiben.
„Dieses spezielle System ist nicht nur entscheidend für die Verwendung mehrerer Benutzer, sondern auch insofern einzigartig, als wir bei CEBAF nur einen von ihnen betreiben“, sagte Grames. „Es ist räumlich und zeitlich wie eine Strahlschaltanlage. Mit einem Chopper können wir Strahl an vier Benutzer gleichzeitig liefern, und das ist eine große Sache für unsere Benutzergemeinschaft und eine wichtige Metrik für den Betrieb.“
Die kaputte Komponente war ein Chopper-Koppler, ein etwa vier Zoll großer Kupferzylinder mit mehreren Innenteilen. Um ihn zu reparieren, wandte sich das Team an Jake Haimson, den angesehenen Beschleunigerphysiker, der vier Jahrzehnte zuvor an der Konstruktion und dem maßgeschneiderten Bau des CEBAF-Choppers mitgewirkt hatte.
„Ich war überrascht, wie schnell er sich an so viele technische Details zu diesem Teil erinnerte“, sagte Jordan.
„Er war eifrig und aufgeregt, uns zu helfen“, sagte Grames. „Er ist sehr daran interessiert, Acceleratoren bei ihren Geschäften zu helfen.“
Haimson ist heute 95 Jahre alt, Präsident der Haimson Research Corporation mit Sitz in Santa Clara, Kalifornien, und er ist immer noch aktiv in der Entwicklung und Wartung von Beschleunigern in vielen Ländern.
Wenn eine Panne in einer dieser Einrichtungen so schwerwiegend ist, dass sie nicht intern behoben werden kann, wird er hinzugezogen. Es ist eine kritische Arbeit, die ihn rund um den Globus traben lässt.
„Sie sind so beschäftigt, dass Sie keine Zeit haben, sich zurückzulehnen und sich wirklich gut zu fühlen, weil Sie wieder mit einem anderen Vertrag konfrontiert werden und sofort zu einem anderen Regime wechseln müssen“, sagte Haimson. „Es ist, als hätte man viele Kinder, die man aussendet – sie werden nach einer Weile erwachsen. Also fühlen wir uns natürlich verpflichtet, und wenn jemand in Schwierigkeiten ist, antwortet man natürlich sofort.“
Seltene Reparaturen vom Fass
Vor etwa 20 Jahren wurden Haimson und sein Team wegen eines weiteren schwerwiegenden Problems mit dem Helikopter hinzugezogen und arbeiteten Tag und Nacht, um die Reparatur in weniger als vier Tagen an Jefferson Lab zurückzugeben.
Diesmal ging es um ein sehr kleines Teil unter rund 200 Teilen im Inneren des großen Chopper-Hohlraums: den Chopper-HF-Leistungskoppler.
„Der Isolator war gerissen“, sagte Haimson. „Sobald es knackte, verlor es das Vakuum.“
Jefferson Lab schickte den Chopper-Koppler an Haimson, der ihn reparierte und innerhalb von etwa zwei Wochen zurückschickte.
„Wir hatten großes Glück, denn wir hatten alle alten Vorrichtungen und Vorrichtungen und Ersatzteile“, sagte Haimson. „Noch wichtiger ist, dass wir eine Menge der Gold- und Silberlegierung auf Lager hatten, die beim Löten benötigt wird.“
Gleichzeitig verfolgten die Experten von Jefferson Lab eifrig einen parallelen internen Ansatz: die Entwicklung und Herstellung einer Ersatzkupplung basierend auf Haimsons Design, aber robuster.
„Ich habe mir die Komponente angesehen und gesagt: ‚Lass uns einfach eine machen'“, sagte Jordan. „Alles, was wir tun müssen, ist das zu kopieren. Es ist ein Kupferblock, wir müssen ein paar Löcher hineinbohren, wir müssen ein paar Sachen löten, wir müssen ein paar Sachen schweißen, wir müssen mach dies und das.“
Also half Joe Gubeli, ein Ingenieur von Jefferson Lab, ein 3D-Modell des neuen Teils zu erstellen. Das Team bat Haimson, das Design zu überprüfen, und schickte es dann an die Maschinenwerkstatt des Labors. Als die Techniker den Koppler herstellten, führten Wissmann und sein Team HF-Messungen durch, um zu bestätigen, dass es sich um eine zuverlässige, verbesserte Kopie des Originals handelte, und installierten ihn dann Anfang Mai. Es hat perfekt funktioniert!
„Als ich im Betriebstagebuch einen Eintrag sah, dass der Helikopter wieder so funktioniert wie vorher, war das eine Mischung aus Erleichterung und Euphorie“, sagte Wissmann.
Unterdessen behält Jefferson Lab Haimsons reparierte Komponente als Ersatzteil.
„Es ist unser erstes Ersatzteil, und wir machen mehr“, sagte Grames. „Es ist eine Lernmethode.“
Inhouse-Expertise wird für CEBAF und andere Linearbeschleuniger wichtiger, nachdem Haimson nach mehr als einem halben Jahrhundert dabei ist, sein Unternehmen aufzulösen.
„Einer der wichtigsten Faktoren unseres Erfolgs war, dass wir uns bei der Entwicklung von Spezialmaschinen auch große Mühe gegeben haben, das Personal zu schulen und sicherzustellen, dass es autark ist“, sagte Haimson. „Der hausgemachte Teil schien ganz gut zu funktionieren. Und das ist schön, denn das bedeutet, dass sie diese Dinge wirklich im Griff haben, und sie verfolgen es und können sofort damit umgehen.“
Bis zu 20 Physiker, Ingenieure und Techniker von Jefferson Lab – mit einer Kerngruppe von einem halben Dutzend – waren daran beteiligt, den CEBAF-Chopper rechtzeitig zum Laufen zu bringen, damit das größere CEBAF-Betriebsteam mit der Wiederinbetriebnahme des Rests fortfahren konnte die Maschine und laufen Strahl zu Experimenten wieder planmäßig.
„Es ist wie Sprossen auf einer Leiter“, sagte Grames. „Jede Sprosse ist wichtig. Die Leute haben Expertise und wir müssen sie alle zusammenbringen, um dorthin zu gelangen, wo wir sein müssen.“