För många arter, vintern fungerar som en tid att vila och återhämta sig för att återvända starkare under det kommande året. I många avseenden, så är det också för vissa storskaliga vetenskapsanläggningar.

I december 2017, Spallation Neutron Source (SNS) vid Department of Energy (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ingick ett förlängt planerat avbrott på fem månader för att utföra ett antal högprioriterade jobb som krävs för att säkerställa en säker och pålitlig drift vid högre makter. Mest anmärkningsvärt var utbytet av anläggningens inre reflektorkontakt (IRP) och acceleratorns radiofrekvens quadrupole (RFQ).

SNS är den mest kraftfulla pulserande acceleratorbaserade neutronspridningsanläggningen i världen. Eftersom neutroner inte har någon laddning och är djupt penetrerande, de är idealiska för att studera grundläggande beteenden inom energi och material i atomskala.

Sedan den kom online 2006, den unika anläggningen har skjutit gränserna för vetenskap och teknik, öka effektnivåerna och antalet vetenskapliga publikationer nästan varje år.

Betydande vetenskapliga genombrott endast möjliga med neutroner vid SNS inkluderar oöverträffade insikter i det exotiska beteendet hos den magnetiska Majorana fermionen - en lovande byggsten för topologisk kvantberäkning; lindring av luftföroreningar med hjälp av vibrationsspektroskopi för att känneteckna hur ett metallorganiskt rammaterial kan användas för att avlägsna skadlig kvävedioxid från atmosfären; och första i sitt slag experiment som att utföra realtids in situ-mätningar på en gasmotor som körs.

SNS genererar neutroner genom att driva protoner ner en linjär accelerator, eller linac, och krossa dem i ett metallmålskärl fyllt med flytande kvicksilver. Vid påverkan, "gnistor" av neutroner skapas och skickas till komplexa och kraftfulla instrument för experiment.

Ut med det gamla, in med det nya

"Vi arbetar med att köra tre flytande kvicksilvermål om året, vilket innebär att vi måste utföra tre avbrott per år, "sa Fulvia Pilat, divisionsdirektör för ORNL:s forskningsacceleratoravdelning. "Normalt tar avbrott mellan 3 och 6 veckor för måländringar och underhåll, men vinteravbrottet 2017–18 måste vara mycket längre för att förbereda maskinen för 1,4 megawatt. ”

Prioritet nummer ett var bytet av IRP, som hade varit i drift sedan anläggningen byggdes 2006. IRP är ett stort cylindriskt fartyg som är cirka 20 fot högt och väger cirka 64, 000 pund. Dess funktion är att sakta ner och dra neutronerna som produceras från kvicksilvermålet, dockad i nedre änden av IRP, till de omgivande instrumenten.

Moderatorer inuti IRP är placerade ovanför och under målet. Två av de fyra moderatorerna är fodrade med speciella neutronabsorberande material - gadolinium och kadmium - för att justera neutronutmatningen. Över åren, materialet hade tömts, och att fylla på dem säkerställer att fler neutroner används effektivt för experiment.

Anbudet har också varit i drift sedan 2006, det första accelerationselementet i gaspedalens frontenhet. RFQ tar emot vätejoner som genereras av jonkällan och ger partiklarna den första accelerationshöjningen längs linacen.

"Det största problemet med RFQ var överföringen. Vid den tiden, 100% av jonerna gick in i RFQ, men bara 60% kom ut. Det betyder att 40% av strålen slösades bort, "sa Pilat." För att arbeta med högre effektnivåer vill du optimera strömmen, och den nya offertförfrågan var faktiskt utformad och byggd för att förbättra det. "

Det var ett stort jobb, hon förklarade. Den månader långa processen med att byta RFQ innebar att först koppla bort den gamla strukturen från acceleratorn och bygga om systemen som matas in i RFQ, som kontrollen, Vakuum, och kylsystem. Nästa, teamet måste noggrant transportera den nya offertförfrågan från ORNL:s stråltestanläggning, där den hade varit i driftsättningsskede i flera år, och placera den i sitt nya hem med precision. Till sist, den gamla offertförfrågan återmonterades vid Beam Test Facility för fysiska experiment med hög energi.

"Nu, vi är i 90% överföringsnivå. Så det var en stor framgång, sa Pilat.

Klok användning av resurser

Förutom att byta ut större hårdvara, två andra kritiska jobb inkluderade plasmabehandling av några av acceleratorns kryomoduler och anläggningens omvandling från lätt till tungt vatten.

Under neutronproduktionen, kolväteuppbyggnad sker inuti de inre elementen i acceleratorns kryomoduler - stora, fatformade kapslar som fokuserar och accelererar strålen-och försvagar de elektriska fälten som genereras för strålacceleration.

En handfull kryomoduler rengjordes med en teknik som kallas plasmabehandling där, väsentligen, het plasma injiceras i de accelererande hålrummen för att bränna av kontaminationen och pumpas sedan ut som en gas. Eftersom det kan göras in situ och inte kräver att strukturen tas bort från gaspedalen, tekniken har reducerat underhållstiden från månader till veckor.

"Att utnyttja den långa tid vi hade att bearbeta några av kryomodulerna var en annan framgång, "sade Pilat." Som ett resultat, acceleratorn har nått sin designenergitröskel på 1,0 giga-elektronvolt. "

För att mildra den intensiva värme som genereras av protonerna som träffar metallmålet, IRP kyls med vatten. Lätt vatten - detsamma som dricksvatten - har använts sedan verksamheten inleddes 2006. Tungt vatten - som vanligtvis används i kärnreaktorer - har mer deuterium än normalt vatten och absorberar betydligt färre neutroner.

"Byte av lättvattenkylning av IRP med tungt vatten ger en genomsnittlig vinst på cirka 20% i antalet neutroner som lyser upp strålningslinjerna, "sade Ken Herwig, gruppledare för instrumentmetoder, Projekt, och teknik. "Denna ökning av neutronflöde möjliggör kortare tidsupplösta in situ-mätningar och mätningar på mindre eller svagare spridningsprover."

Få alltid att falla på plats

Planering var avgörande för utförande och genomförande av jobb, säger SNS avbrottschef Glen Johns. Sofistikerad schemaläggningsprogramvara användes för att övervaka framsteg och möjliggöra resursfördelning baserat på prioriteringen av kritiska och icke -kritiska jobb.

"Med över 1, 500 aktiviteter att hantera, logikdrivna resursladdade planer var avgörande för vår framgång, "sa Johns.

Framgången med det långa avbrottet visade förmågan att planera och säkert utföra storskaliga uppgraderingar och byggprojekt. I framtiden, SNS -projekt inkluderar Proton Power Upgrade, vilket kommer att fördubbla SNS -effekten till 2,8 megawatt, och den andra målstationen som kommer att öppna nya vetenskapsvägar för nya komplexa material som behövs för att stödja den amerikanska ekonomin och ge lösningar på utmaningar inom energi, säkerhet, och transport.

För deras arbete, IRP-ersättningsteamet fick Laboratory Director's Award för ett framgångsrikt utförande av den komplexa uppgiften. Honorees inkluderade Michael Baumgartner, Douglas Bruce, Michael Dayton, John Denison, Christi Elam, Linda Farr, Nate Foster, Kevin Hamby, Scott Helus, Jim Janney, Mark Lyttle, och David Proveaux.