Durante décadas, físicos e investigadores de todo el mundo han acudido en masa a la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. para descubrir los misterios subatómicos de cómo funciona el universo.

Aquí, la instalación aceleradora de haces de electrones continuos (CEBAF, por sus siglas en inglés) de clase mundial es una maravilla de la ciencia y la tecnología, una instalación para usuarios del DOE y una "pista de carreras" subterránea que lanza haces de electrones a casi la velocidad de la luz hacia objetivos cuidadosamente elegidos en hasta cuatro Salas experimentales simultáneamente. Estos haces de electrones permiten a los científicos estudiar la cascada de partículas fugaces producidas en las colisiones electrón-objetivo para sus investigaciones.

Beamtime es valioso, por lo que los experimentos se examinan cuidadosamente y se reservan con años de anticipación.

Pero, ¿qué sucede cuando se rompe esta codiciada maravilla?

La pregunta no es académica. En abril, los sensores mostraron que un sello de vacío había fallado en un área crítica del inyector, el cortador, donde los electrones son clasificados por grandes cavidades de cobre y dirigidos a experimentos, que se ejecutan en distintas áreas al final del acelerador. Pero sin ese sello de vacío, el aire exterior que respiramos entrará en esas cavidades, contaminando el sistema y paralizando efectivamente las operaciones del acelerador.

Entonces, un equipo ad hoc de expertos de las divisiones de ingeniería y aceleradores se reunió para diagnosticar la situación y descubrir cómo solucionarla. Rápido. Afortunadamente, la máquina estaba llegando al final de un apagado programado de tres meses por mantenimiento, por lo que los experimentos no se vieron afectados de inmediato.

"Fue un momento afortunado", dijo Joe Grames, jefe del Centro de Inyectores y Fuentes del laboratorio, que construye y mantiene todas las fuentes de haces de partículas de alto rendimiento del laboratorio para inyectores y aceleradores.

Al equipo le quedaba aproximadamente un mes en el cierre para que el helicóptero CEBAF estuviera listo para funcionar antes de que los usuarios necesitaran haces de electrones nuevamente.

'Todas las manos a la obra'

"Se necesitó un proceso para encontrar el problema", dijo Mark Wissmann, ingeniero eléctrico de radiofrecuencia (RF) del personal y miembro del equipo central.

"Requirió investigación, no muy diferente de un rompecabezas. Fue desafiante y gratificante al mismo tiempo", dijo Grames. "Personas con mucha pericia y experiencia en vacío estaban contribuyendo a esta solución general, poniendo sus ojos en todos sus sistemas. Fue una especie de práctica para el área de inyectores".

El acelerador CEBAF de casi una milla de largo está completamente bajo vacío, literalmente a menos de una milmillonésima parte de la presión de aire que respiramos, a pesar de las miles de juntas y piezas soldadas. Si una pieza falla o se rompe, puede causar una pequeña fuga que se puede rastrear y luego reemplazar o reparar rápidamente internamente. Esta nueva filtración no era uno de los sospechosos habituales. Entonces, los miembros del equipo ampliaron su rango de lo habitual.

Tomó más o menos un día rastrear el problema hasta el "chopper" del haz, un componente de un sistema único que fue diseñado y construido a la medida unos 40 años antes.

"Literalmente, lo que hicimos fue conectar una bomba turbo al sistema de vacío y tomamos un pedazo de manguera de un cuarto de pulgada, y se podía escuchar que decía 'Sssss'", dijo Kevin Jordan, ingeniero de personal y líder de Diagnostics. Grupo de desarrollo en el Centro de Estudios Avanzados de Aceleradores del laboratorio. "Era bastante obvio dónde estaba el problema".

Y también era bastante obvio lo que estaba en juego:sin un interruptor de haz, el CEBAF no puede operar sus cuatro salas experimentales.

"Ese sistema en particular, además de ser fundamental para tener múltiples usuarios, es único en el sentido de que solo operamos uno de ellos en CEBAF", dijo Grames. "Es como un patio de conmutación de rayos en el espacio y el tiempo. Al tener un helicóptero, podemos entregar el rayo a cuatro usuarios a la vez, y eso es un gran problema para nuestra comunidad de usuarios y una métrica importante para las operaciones".

El componente roto era un acoplador de helicóptero, un cilindro de cobre de aproximadamente cuatro pulgadas con múltiples partes internas. Para repararlo, el equipo contactó a Jake Haimson, el estimado físico de aceleradores que ayudó a diseñar y construir a la medida el helicóptero CEBAF cuatro décadas antes.

"Me sorprendió lo rápido que recordó tantos detalles técnicos sobre esta parte", dijo Jordan.

"Estaba ansioso y emocionado de ayudarnos", dijo Grames. "Está muy interesado en ayudar a las aceleradoras a hacer su negocio".

Haimson tiene 95 años hoy, es presidente de Haimson Research Corporation con sede en Santa Clara, California, y todavía está activo diseñando y manteniendo aceleradores en muchos países.

Cuando una falla en una de esas instalaciones es lo suficientemente grave como para que no se pueda manejar internamente, lo contratan. Es un trabajo crítico que lo mantiene trotando por todo el mundo.

“Estás tan ocupado que no tienes tiempo para dar un paso atrás y sentirte bien al respecto, porque te golpean nuevamente con otro contrato y tienes que ir inmediatamente a otro régimen”, dijo Haimson. "Es como tener muchos hijos a los que enviaste:maduran después de un tiempo. Entonces, por supuesto, sentimos una obligación, y si alguien está en problemas, por supuesto que respondes de inmediato".

Reparaciones raras disponibles

Hace aproximadamente 20 años, llamaron a Haimson y su equipo por otro problema grave con el helicóptero y trabajaron día y noche para que Jefferson Lab lo reparara en menos de cuatro días.

Esta vez, el problema era una pieza muy pequeña entre unas 200 piezas dentro de la gran cavidad del chopper:el acoplador de potencia de RF del chopper.

"El aislante estaba roto", dijo Haimson. "Una vez que se agrietó, perdió el vacío".

Jefferson Lab envió el acoplador del chopper a Haimson, quien lo reparó y lo devolvió en unas dos semanas.

"Tuvimos mucha suerte, porque teníamos todos los accesorios antiguos, las plantillas y los repuestos", dijo Haimson. "Más importante aún, teníamos en stock una gran cantidad de la aleación de oro y plata que se requiere durante la soldadura fuerte".

Al mismo tiempo, los expertos de Jefferson Lab buscaron fervientemente un enfoque interno paralelo:diseñar y fabricar un acoplador de reemplazo basado en el diseño de Haimson, pero más robusto.

"Miré el componente y dije:'Hagamos uno'", dijo Jordan. "Todo lo que tenemos que hacer es copiar esto. Es un bloque de cobre, tenemos que taladrar algunos agujeros, tenemos que soldar algunas cosas, tenemos que soldar algunas cosas, tenemos que haz esto y aquello".

Así que Joe Gubeli, un ingeniero de Jefferson Lab, ayudó a crear un modelo tridimensional de la nueva pieza. El equipo le pidió a Haimson que revisara el diseño y luego lo envió al taller de máquinas del laboratorio. Cuando los técnicos produjeron el acoplador, Wissmann y su equipo realizaron mediciones de RF para confirmar que era una copia mejorada confiable del original y luego lo instalaron a principios de mayo. ¡Funcionó perfectamente!

"Cuando vi en el libro de registro de operaciones una entrada que decía que el helicóptero estaba funcionando como lo hacía antes, fue una combinación de alivio y euforia", dijo Wissmann.

Mientras tanto, Jefferson Lab mantiene el componente reparado de Haimson como repuesto.

"Es nuestro primer repuesto y estamos fabricando más", dijo Grames. "Es un método de aprendizaje".

La experiencia interna será más importante para CEBAF y otros aceleradores lineales ahora que Haimson está en proceso de disolver su empresa después de más de medio siglo.

"Uno de los principales factores de nuestro éxito ha sido que, cuando desarrollamos máquinas especiales, también nos hemos tomado muchas molestias para capacitar al personal y asegurarnos de que sean autosuficientes", dijo Haimson. "La parte casera pareció funcionar bastante bien. Y eso es bueno, porque eso significa que realmente dominaron estas cosas, y lo están siguiendo y pueden manejarlo de inmediato".

Hasta 20 físicos, ingenieros y técnicos de Jefferson Lab, con un grupo central de media docena, contribuyeron a poner en marcha el helicóptero CEBAF a tiempo, de modo que el equipo de operaciones CEBAF más grande pudiera continuar volviendo a poner en marcha el resto de la máquina y vuelva a ejecutar el haz de experimentos a tiempo.

"Son como los peldaños de una escalera", dijo Grames. "Cada peldaño es importante. La gente tiene experiencia y necesitamos juntarlos a todos para llegar a donde necesitamos estar". + Explora más

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