Per decenni, fisici e ricercatori di tutto il mondo si sono riversati presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per svelare i misteri subatomici di come funziona l'universo.

Qui, il Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) di livello mondiale è una meraviglia della scienza e della tecnologia, una struttura per utenti DOE e una "pista" sotterranea che emette fasci di elettroni quasi alla velocità della luce su bersagli accuratamente scelti in un massimo di quattro sale sperimentali contemporaneamente. Questi fasci di elettroni consentono agli scienziati di studiare la cascata di particelle fugaci prodotte nelle collisioni elettrone-bersaglio per la loro ricerca.

Beamtime è prezioso, quindi gli esperimenti vengono attentamente controllati e prenotati con anni di anticipo.

Ma cosa succede quando questa ambita meraviglia si rompe?

La domanda non è accademica. Ad aprile, i sensori hanno mostrato che un sigillo sottovuoto si era guastato in un'area critica dell'iniettore, l'elicottero, dove gli elettroni sono ordinati da grandi cavità di rame e diretti per esperimenti, che corrono in aree distinte all'estremità dell'acceleratore. Ma senza quel sigillo sottovuoto, l'aria esterna che respiriamo entrerà in quelle cavità, contaminando il sistema e paralizzando efficacemente le operazioni dell'acceleratore.

Quindi un team ad hoc di esperti delle divisioni acceleratore e ingegneria si è riunito per diagnosticare la situazione e capire come risolverla. Veloce. Fortunatamente, la macchina si stava avvicinando alla fine di un arresto programmato di tre mesi per manutenzione, quindi gli esperimenti non sono stati immediatamente interessati.

"È stato un tempismo fortunato", ha affermato Joe Grames, capo del Center for Injectors and Sources del laboratorio, che costruisce e mantiene tutte le sorgenti di fasci di particelle ad alte prestazioni del laboratorio per iniettori e acceleratori.

Al team era rimasto circa un mese per l'arresto per preparare l'elicottero CEBAF prima che gli utenti avessero bisogno di nuovo di fasci di elettroni.

"Tutte le mani sul mazzo"

"Ci è voluto un processo per trovare il problema", ha affermato Mark Wissmann, un ingegnere elettrico a radiofrequenza (RF) del personale e membro del team principale.

"Ci sono volute investigazioni, non così diverse da un puzzle. È stato allo stesso tempo stimolante e gratificante", ha detto Grames. "Persone con molta esperienza ed esperienza nel vuoto hanno contribuito a questa soluzione globale, mettendo gli occhi su tutti i loro sistemi. Era una specie di tuttofare per l'area degli iniettori."

L'acceleratore CEBAF lungo quasi un miglio è interamente sotto vuoto, letteralmente a meno di un miliardesimo della pressione dell'aria che respiriamo, nonostante migliaia di giunti e parti saldate. Se una parte si guasta o si rompe, può causare una piccola perdita che può essere rintracciata e quindi sostituita o riparata rapidamente internamente. Questa nuova fuga di notizie non era uno dei soliti sospetti. Quindi i membri del team hanno ampliato la loro gamma rispetto al solito.

Ci è voluto circa un giorno per rintracciare il problema nel "chopper" del raggio, un componente di un sistema unico che è stato progettato e costruito su misura circa 40 anni prima.

"Letteralmente quello che abbiamo fatto è che avevamo una pompa turbo collegata al sistema del vuoto e abbiamo preso un pezzo di tubo da un quarto di pollice, e lo si sentiva dire 'Sssss'", ha affermato Kevin Jordan, un ingegnere del personale e responsabile della diagnostica Gruppo di sviluppo nel Center for Advanced Studies of Accelerators del laboratorio. "Era abbastanza ovvio dove fosse il problema."

Ed era anche abbastanza ovvio quale fosse la posta in gioco:senza un beam chopper, il CEBAF non può far funzionare le sue quattro sale sperimentali.

"Quel particolare sistema, oltre ad essere fondamentale per avere più utenti, è unico in quanto ne gestiamo solo uno al CEBAF", ha affermato Grames. "È come un cantiere di travi nello spazio e nel tempo. Avendo un elicottero, possiamo fornire il raggio a quattro utenti contemporaneamente, e questo è un grosso problema per la nostra comunità di utenti e una metrica importante per le operazioni."

Il componente rotto era un accoppiatore chopper, un cilindro di rame di circa quattro pollici con più parti interne. Per ripararlo, il team ha contattato Jake Haimson, lo stimato fisico degli acceleratori che ha contribuito a progettare e costruire su misura l'elicottero CEBAF quattro decenni prima.

"Sono rimasto sorpreso dalla rapidità con cui ha ricordato così tanti dettagli tecnici su questa parte", ha detto Jordan.

"Era ansioso ed entusiasta di aiutarci", ha detto Grames. "È molto interessato ad aiutare gli acceleratori a fare i loro affari."

Haimson oggi ha 95 anni, è presidente della Haimson Research Corporation con sede a Santa Clara, in California, ed è ancora attivo nella progettazione e manutenzione di acceleratori in molti paesi.

Quando un guasto a una di queste strutture è abbastanza grave da non poter essere gestito internamente, viene coinvolto. È un lavoro fondamentale che lo fa girare per il mondo.

"Sei così impegnato che non hai il tempo di tirarti indietro e sentirti davvero bene, perché sei colpito di nuovo con un altro contratto e devi passare immediatamente a un altro regime", ha detto Haimson. "È come avere tanti figli che hai mandato fuori, dopo un po' maturano. Quindi, ovviamente, sentiamo un obbligo e se qualcuno è nei guai, ovviamente rispondi immediatamente."

Riparazioni rare su Tap

Circa 20 anni fa, Haimson e il suo team sono stati chiamati per un altro grave problema con l'elicottero e hanno lavorato giorno e notte per riportare la riparazione al Jefferson Lab in meno di quattro giorni.

Questa volta, il problema riguardava una parte molto piccola tra circa 200 parti all'interno della grande cavità del chopper:l'accoppiatore di potenza RF del chopper.

"L'isolante era rotto", ha detto Haimson. "Una volta che si è rotto, ha perso il vuoto."

Jefferson Lab ha spedito l'accoppiatore dell'elicottero ad Haimson, che lo ha riparato e restituito in circa due settimane.

"Siamo stati molto fortunati, perché avevamo tutti i vecchi dispositivi, le maschere e le scorte", ha detto Haimson. "Ancora più importante, avevamo in stock gran parte della lega d'oro e d'argento necessaria durante la brasatura."

Allo stesso tempo, gli esperti del Jefferson Lab hanno perseguito con fervore un approccio interno parallelo:progettare e fabbricare un accoppiatore sostitutivo basato sul design di Haimson, ma più robusto.

"Ho guardato il componente e ho detto:'Facciamolo e basta'", ha detto Jordan. "Tutto quello che dobbiamo fare è copiare questo. È un blocco di rame, dobbiamo praticarci dei fori, dobbiamo brasare alcune cose, dobbiamo saldare alcune cose, dobbiamo fai questo e quello."

Quindi Joe Gubeli, un ingegnere del Jefferson Lab, ha contribuito a creare un modello 3-D della nuova parte. Il team ha chiesto ad Haimson di rivedere il progetto, quindi lo ha inviato all'officina meccanica del laboratorio. Quando i tecnici hanno prodotto l'accoppiatore, Wissmann e il suo equipaggio hanno effettuato misurazioni RF per confermare che si trattava di una copia aggiornata affidabile dell'originale, quindi l'hanno installato all'inizio di maggio. Ha funzionato perfettamente!

"Quando ho visto nel registro delle operazioni una voce che diceva che l'elicottero funzionava come prima, è stata una combinazione di sollievo ed euforia", ha detto Wissmann.

Nel frattempo, Jefferson Lab mantiene il componente riparato di Haimson come scorta.

"È il nostro primo ricambio e ne stiamo facendo di più", ha detto Grames. "È un metodo di apprendimento."

L'esperienza interna diventerà più importante per CEBAF e altri acceleratori lineari ora che Haimson sta sciogliendo la sua azienda dopo più di mezzo secolo.

"Uno dei fattori principali del nostro successo è stato il fatto che, quando abbiamo sviluppato macchine speciali, ci siamo dati anche molti problemi per addestrare il personale e assicurarci che fosse autosufficiente", ha affermato Haimson. "La parte fatta in casa sembrava funzionare abbastanza bene. E questo è bello, perché significa che hanno davvero una presa su queste cose, e lo stanno seguendo e possono gestirlo immediatamente."

Ben 20 fisici, ingegneri e tecnici del Jefferson Lab, con un gruppo centrale di una mezza dozzina, hanno contribuito a far funzionare l'elicottero CEBAF in tempo, in modo che il più grande team operativo CEBAF potesse continuare a rimettere in servizio il resto del la macchina ed eseguire nuovamente il raggio per gli esperimenti nei tempi previsti.

"È come i pioli su una scala", ha detto Grames. "Ogni gradino è importante. Le persone hanno esperienza e dobbiamo metterle tutte insieme per arrivare dove dobbiamo essere". + Esplora ulteriormente

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