I decennier har fysiker och forskare från hela världen flockats till det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility för att låsa upp subatomära mysterier om hur universum fungerar.

Här är Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) i världsklass ett under av vetenskap och teknik, en DOE-användaranläggning och underjordisk "racebana" som spränger elektronstrålar med nästan ljusets hastighet mot noggrant utvalda mål i upp till fyra experimenthallar samtidigt. Dessa elektronstrålar gör det möjligt för forskare att studera kaskaden av flyktiga partiklar som produceras i elektron-målkollisioner för sin forskning.

Beamtime är värdefullt, så experiment granskas noggrant och bokas år i förväg.

Men vad händer när detta eftertraktade underverk går sönder?

Frågan är inte akademisk. I april visade sensorer att en vakuumförsegling hade misslyckats i ett kritiskt område av injektorn - choppern - där elektroner sorteras efter stora kopparhåligheter och riktas till experiment, som körs i distinkta områden i slutet av acceleratorn. Men utan den vakuumförseglingen kommer luften utanför vi andas in i dessa håligheter, förorenar systemet och effektivt förlamar acceleratorns operationer.

Så ett ad hoc-team av experter från accelerator- och teknikdivisionerna samlades för att diagnostisera situationen och ta reda på hur man fixar den. Snabb. Lyckligtvis närmade sig maskinen slutet av en planerad tremånaders avstängning för underhåll, så experimenten påverkades inte omedelbart.

"Det var lycklig timing", säger Joe Grames, chef för labbets Center for Injectors and Sources, som bygger och underhåller alla labbets högpresterande partikelstrålekällor för injektorer och acceleratorer.

Teamet hade ungefär en månad kvar på avstängningen för att göra CEBAF-choppern redo att köras innan användarna skulle behöva elektronstrålar igen.

'Alla händer på däck'

"Det krävdes en process för att hitta problemet", säger Mark Wissmann, en elektriker för personalens radiofrekvens (RF) och kärnteammedlem.

"Det krävdes letande, inte så annorlunda än ett pussel. Det var både utmanande och givande på samma gång," sa Grames. "Människor med mycket vakuumexpertis och erfarenhet bidrog till den här övergripande lösningen och satte ögonen på alla sina system. Det var en sorts hand-på-däck för injektorområdet."

Den nästan millånga CEBAF-acceleratorn är helt under vakuum, vid bokstavligen mindre än en miljarddel av lufttrycket vi andas, trots tusentals fogar och svetsade delar. Om en del går sönder eller går sönder kan det orsaka en liten läcka som kan spåras och sedan bytas ut eller snabbt repareras internt. Den här nya läckan var inte en av de vanliga misstänkta. Så teammedlemmarna utökade sitt utbud från det vanliga.

Det tog en dag eller så att spåra problemet till beam "chopper" - en komponent i ett unikt system som specialdesignades och byggdes cirka 40 år tidigare.

"Bokstavligen vad vi gjorde var att vi hade en turbopump kopplad till vakuumsystemet och vi tog en kvartstumsbit av slangen, och du kunde höra den säga 'Sssss'", säger Kevin Jordan, personalingenjör och ledare för diagnostiken. Utvecklingsgrupp i labbets Centrum för avancerade studier av acceleratorer. "Det var ganska uppenbart var problemet låg."

Och det var också ganska uppenbart vad som stod på spel:Utan en beam chopper kan CEBAF inte köra sina fyra experimenthallar.

"Det speciella systemet, förutom att det är avgörande för att ha flera användare, är unikt i det att vi bara driver en av dem på CEBAF", säger Grames. "Det är som ett strålställverk i rum och tid. Genom att ha en chopper kan vi leverera strålen till fyra användare samtidigt, och det är en stor sak för vår användargemenskap och ett viktigt mått för driften."

Den trasiga komponenten var en hackkopplare, en ungefär fyra tums kopparcylinder med flera inre delar. För att reparera den kontaktade teamet Jake Haimson, den uppskattade acceleratorfysikern som hjälpte till att designa och specialbygga CEBAF-choppern fyra decennier tidigare.

"Jag blev förvånad över hur snabbt han kom ihåg så många tekniska detaljer om den här delen," sa Jordan.

"Han var ivrig och glad att hjälpa oss," sa Grames. "Han är väldigt intresserad av att hjälpa acceleratorer att göra sina affärer."

Haimson är 95 idag, president för Haimson Research Corporation med säte i Santa Clara, Kalifornien, och han är fortfarande aktiv med att designa och underhålla acceleratorer i många länder.

När ett haveri till en av dessa anläggningar är tillräckligt allvarligt för att det inte kan hanteras internt, tas han in. Det är kritiskt arbete som får honom att trava runt jorden.

"Du är så upptagen att du inte har tid att stå tillbaka och verkligen må bra av det, för du får ett nytt kontrakt igen och du måste omedelbart gå till en annan regim", sa Haimson. "Det är som att ha många barn som du skickat ut – de mognar efter ett tag. Så vi känner naturligtvis en skyldighet, och om någon har problem svarar du självklart direkt."

Sällsynta reparationer på tryck

För ungefär 20 år sedan kallades Haimson och hans team in på ett annat allvarligt problem med choppern och arbetade dag och natt för att få tillbaka reparationen till Jefferson Lab på mindre än fyra dagar.

Den här gången var problemet en mycket liten del bland cirka 200 delar inuti det stora chopperhålet:Chopper RF-strömkopplaren.

"Isolatorn var sprucken," sa Haimson. "När den väl sprack tappade den vakuumet."

Jefferson Lab skickade chopperkopplingen till Haimson, som reparerade och lämnade tillbaka den på cirka två veckor.

"Vi hade mycket tur, eftersom vi hade alla gamla fixturer och jiggar och reservdelar," sa Haimson. "Ännu viktigare, vi hade mycket av den guld- och silverlegering som krävs under lödningen på lager."

Samtidigt eftersträvade Jefferson Labs experter ivrigt ett parallellt internt tillvägagångssätt:att designa och tillverka en ersättningskoppling baserad på Haimsons design, men mer robust.

"Jag tittade på komponenten och sa:'Låt oss bara göra en'", sa Jordan. "Allt vi behöver göra är att kopiera det här. Det är ett kopparblock, vi måste borra några hål i det, vi måste löda några grejer, vi måste svetsa några grejer, vi måste gör det och det."

Så Joe Gubeli, en Jefferson Lab-ingenjör, hjälpte till att skapa en 3D-modell av den nya delen. Teamet bad Haimson att granska designen och skickade den sedan till labbets maskinverkstad. När teknikerna tillverkade kopplingen gjorde Wissmann och hans besättning RF-mätningar för att bekräfta att det var en tillförlitlig uppgraderad kopia av originalet, och sedan installerade de den i början av maj. Det fungerade perfekt!

"När jag såg en post i operationsloggboken som sa att helikoptern fungerar som den gjorde tidigare, det var en kombination av lättnad och eufori," sa Wissmann.

Under tiden behåller Jefferson Lab Haimsons reparerade komponent som reserv.

"Det är vår första reserv, och vi gör mer," sa Grames. "Det är en inlärningsmetod."

Intern expertis kommer att bli viktigare för CEBAF och andra linjäracceleratorer nu när Haimson är i färd med att upplösa sitt företag efter mer än ett halvt sekel.

"En av de viktigaste faktorerna för vår framgång har varit att när vi har utvecklat speciella maskiner har vi också ansträngt oss för att utbilda personalen och se till att de är självförsörjande", sa Haimson. "Den hemgjorda delen verkade fungera ganska bra. Och det är trevligt, för det betyder att de verkligen har fått grepp om de här sakerna, och de följer det och kan hantera det direkt."

Så många som 20 Jefferson Lab-fysiker, ingenjörer och tekniker – med en kärngrupp på ett halvdussin – hade en hand med att få igång CEBAF-choppern i tid, så att det större CEBAF-operationsteamet kunde fortsätta att ta i drift resten av maskinen och kör strålen till experiment igen enligt schemat.

"Det är som stegpinnar på en stege," sa Grames. "Varje steg är viktigt. Människor har expertis och vi måste sätta ihop dem alla för att komma dit vi behöver vara." + Utforska vidare

Spinnande elektroner ger positroner för forskning