Pendant des décennies, des physiciens et des chercheurs du monde entier ont afflué vers le Thomas Jefferson National Accelerator Facility du Département américain de l’énergie pour percer les mystères subatomiques du fonctionnement de l’univers.
Ici, l’installation d’accélération de faisceaux d’électrons continus (CEBAF) de classe mondiale est une merveille de la science et de la technologie, une installation pour les utilisateurs du DOE et une « piste de course » souterraine qui projette des faisceaux d’électrons à presque la vitesse de la lumière sur des cibles soigneusement choisies dans jusqu’à quatre salles expérimentales simultanément. Ces faisceaux d’électrons permettent aux scientifiques d’étudier la cascade de particules fugaces produites lors des collisions électron-cible pour leurs recherches.
Le temps de faisceau est précieux, les expériences sont donc soigneusement vérifiées et réservées des années à l’avance.
Mais que se passe-t-il lorsque cette merveille recherchée se brise ?
La question n’est pas académique. En avril, des capteurs ont montré qu’un joint à vide avait échoué dans une zone critique de l’injecteur – le hacheur – où les électrons sont triés par de grandes cavités en cuivre et dirigés vers des expériences, qui se déroulent dans des zones distinctes à la fin de l’accélérateur. Mais sans ce joint sous vide, l’air extérieur que nous respirons entrera dans ces cavités, contaminant le système et paralysant efficacement les opérations de l’accélérateur.
Ainsi, une équipe ad hoc d’experts des divisions des accélérateurs et de l’ingénierie s’est réunie pour diagnostiquer la situation et trouver comment y remédier. Vite. Heureusement, la machine approchait de la fin d’un arrêt prévu de trois mois pour maintenance, de sorte que les expériences n’ont pas été immédiatement affectées.
« C’était un bon moment », a déclaré Joe Grames, responsable du centre du laboratoire pour les injecteurs et les sources, qui construit et entretient toutes les sources de faisceaux de particules hautes performances du laboratoire pour les injecteurs et les accélérateurs.
Il restait à l’équipe environ un mois d’arrêt pour préparer l’hélicoptère CEBAF avant que les utilisateurs n’aient à nouveau besoin de faisceaux d’électrons.
« Tous sur le pont »
« Il a fallu un processus pour trouver le problème », a déclaré Mark Wissmann, ingénieur électricien radiofréquence (RF) et membre de l’équipe principale.
« Il a fallu un travail de recherche, pas si différent d’un casse-tête. C’était à la fois stimulant et gratifiant », a déclaré Grames. « Des personnes possédant une grande expertise et expérience dans le domaine du vide contribuaient à cette solution globale, jetant un coup d’œil sur tous leurs systèmes. C’était en quelque sorte une expérience pratique pour la zone des injecteurs. »
L’accélérateur CEBAF, long de près d’un kilomètre, est entièrement sous vide, à littéralement moins d’un milliardième de la pression d’air que nous respirons, malgré des milliers de joints et de pièces soudées. Si une pièce tombe en panne ou se casse, cela peut provoquer une petite fuite qui peut être localisée puis remplacée ou rapidement réparée en interne. Cette nouvelle fuite ne faisait pas partie des suspects habituels. Les membres de l’équipe ont donc élargi leur gamme par rapport à l’habituel.
Il a fallu environ un jour pour localiser le problème du « hacheur » de faisceau, un composant d’un système unique qui a été conçu et construit sur mesure environ 40 ans plus tôt.
« Littéralement, ce que nous avons fait, c’est que nous avions une pompe turbo connectée au système de vide et nous avons pris un morceau de tuyau d’un quart de pouce, et vous pouviez l’entendre faire ‘Sssss' », a déclaré Kevin Jordan, ingénieur du personnel et responsable du diagnostic. Groupe de développement au Centre d’études avancées des accélérateurs du laboratoire. « Il était assez évident où était le problème. »
Et l’enjeu était également assez évident : sans hacheur de faisceau, le CEBAF ne peut pas faire fonctionner ses quatre halls d’expérimentation.
« Ce système particulier, en plus d’être essentiel pour avoir plusieurs utilisateurs, est unique en ce sens que nous n’en exploitons qu’un seul au CEBAF », a déclaré Grames. « C’est comme un poste de distribution de faisceaux dans l’espace et dans le temps. En ayant un hacheur, nous pouvons fournir du faisceau à quatre utilisateurs à la fois, et c’est un gros problème pour notre communauté d’utilisateurs et une mesure importante pour les opérations. »
Le composant cassé était un coupleur de hacheur, un cylindre en cuivre d’environ quatre pouces avec plusieurs pièces internes. Pour le réparer, l’équipe a contacté Jake Haimson, le célèbre physicien des accélérateurs qui a aidé à concevoir et à construire sur mesure l’hélicoptère CEBAF quatre décennies plus tôt.
« J’ai été surpris de la rapidité avec laquelle il s’est souvenu de tant de détails techniques sur cette partie », a déclaré Jordan.
« Il était impatient et excité de nous aider », a déclaré Grames. « Il est très intéressé à aider les accélérateurs à faire leur travail. »
Haimson a 95 ans aujourd’hui, président de la Haimson Research Corporation basée à Santa Clara, en Californie, et il est toujours actif dans la conception et la maintenance d’accélérateurs dans de nombreux pays.
Lorsqu’une panne dans l’une de ces installations est suffisamment grave pour qu’elle ne puisse pas être traitée en interne, il est amené. C’est un travail critique qui le fait trotter dans le monde entier.
« Vous êtes tellement occupé que vous n’avez pas le temps de prendre du recul et de vous sentir vraiment bien, car vous êtes à nouveau touché par un autre contrat et vous devez immédiatement passer à un autre régime », a déclaré Haimson. « C’est comme avoir beaucoup d’enfants que vous avez envoyés – ils mûrissent après un certain temps. Alors, bien sûr, nous nous sentons obligés, et si quelqu’un a des problèmes, bien sûr, vous répondez immédiatement. »
Réparations rares à portée de main
Il y a environ 20 ans, Haimson et son équipe ont été appelés pour un autre problème grave avec l’hélicoptère et ont travaillé jour et nuit pour ramener la réparation à Jefferson Lab en moins de quatre jours.
Cette fois, le problème concernait une très petite partie parmi quelque 200 pièces à l’intérieur de la grande cavité du hacheur : le coupleur de puissance RF du hacheur.
« L’isolant était fissuré », a déclaré Haimson. « Une fois qu’il s’est fissuré, il a perdu le vide. »
Jefferson Lab a expédié le coupleur hacheur à Haimson, qui l’a réparé et renvoyé en deux semaines environ.
« Nous avons eu beaucoup de chance, car nous avions tous les anciens appareils, les gabarits et les pièces de rechange », a déclaré Haimson. « Plus important encore, nous avions en stock une grande partie de l’alliage d’or et d’argent nécessaire au brasage. »
Dans le même temps, les experts de Jefferson Lab ont poursuivi avec ferveur une approche interne parallèle : concevoir et fabriquer un coupleur de remplacement basé sur la conception de Haimson, mais plus robuste.
« J’ai regardé le composant et j’ai dit: » Faisons-en juste un « », a déclaré Jordan. « Tout ce que nous avons à faire, c’est de copier ceci. C’est un bloc de cuivre, nous devons y percer des trous, nous devons braser des trucs, nous devons souder des trucs, nous devons faire ceci et cela. »
Alors Joe Gubeli, un ingénieur du Jefferson Lab, a aidé à créer un modèle 3D de la nouvelle pièce. L’équipe a demandé à Haimson de revoir la conception, puis l’a envoyée à l’atelier d’usinage du laboratoire. Lorsque les techniciens ont produit le coupleur, Wissmann et son équipe ont effectué des mesures RF pour confirmer qu’il s’agissait d’une copie mise à niveau fiable de l’original, puis ils l’ont installé début mai. Cela a parfaitement fonctionné !
« Quand j’ai vu dans le journal des opérations une entrée indiquant que l’hélicoptère fonctionnait comme avant, c’était une combinaison de soulagement et d’euphorie », a déclaré Wissmann.
Pendant ce temps, Jefferson Lab garde le composant réparé de Haimson comme pièce de rechange.
« C’est notre première réserve, et nous en faisons plus », a déclaré Grames. « C’est une méthode d’apprentissage. »
L’expertise interne deviendra plus importante pour le CEBAF et d’autres accélérateurs linéaires maintenant que Haimson est sur le point de dissoudre sa société après plus d’un demi-siècle.
« L’un des principaux facteurs de notre succès est que, lorsque nous avons développé des machines spéciales, nous nous sommes également donné beaucoup de mal pour former le personnel et nous assurer qu’il est autonome », a déclaré Haimson. « La partie maison a semblé fonctionner assez bien. Et c’est bien, parce que cela signifie qu’ils ont vraiment une emprise sur ces choses, et ils le suivent et peuvent le gérer tout de suite. »
Jusqu’à 20 physiciens, ingénieurs et techniciens du Jefferson Lab – avec un groupe central d’une demi-douzaine – ont contribué à la mise en service de l’hélicoptère CEBAF à temps, afin que l’équipe d’exploitation plus large du CEBAF puisse continuer à remettre en service le reste de la machine et relancer le faisceau vers les expériences dans les délais prévus.
« C’est comme des échelons sur une échelle », a déclaré Grames. « Chaque échelon est important. Les gens ont de l’expertise et nous devons tous les rassembler pour arriver là où nous devons être. »