Técnicos de montagem de criomódulos aceleram a pista de corrida de feixe de elétrons do Jefferson Lab

No Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA, o Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) subterrâneo se assemelha mais a uma pista de corrida do que a um carro de corrida. Como uma instalação de usuário do DOE Office of Science, o CEBAF inclui um acelerador de partículas que permite a pesquisa de mais de 1.900 físicos nucleares em todo o mundo.

O acelerador de partículas tem o formato de um oval de 7/8 milhas, e seu feixe de elétrons ziguezagueia pela “pista” quase na velocidade da luz. Não há pneus, transmissão nem chassis para serem encontrados.

Deixe que um antigo mecânico de automóveis inverta essa comparação.

“É como um carro velho lá embaixo”, disse o técnico sênior de criomódulos/vácuo Chris Wilcox. “Alguns dos criomódulos originais que estão lá embaixo desde o início dos anos 90 — eles precisam de algum trabalho.”

Em termos automotivos, os técnicos de montagem de criomódulos são mecânicos na “garagem” do Jefferson Lab — o mundialmente renomado Superconducting Radiofrequency (SRF) Institute. Eles consertam e substituem criomódulos, que são seções modulares de um acelerador de partículas SRF. Mas substituir os criomódulos desgastados do CEBAF é apenas uma faceta de seu trabalho de precisão.

Liderados pelo Accelerator Associate John Fischer, os técnicos de montagem de criomódulos são membros da equipe de produção de criomódulos no Departamento de Operações SRF do laboratório. Esses mestres artesãos constroem, testam e instalam criomódulos personalizados, as máquinas complexas que permitem que o CEBAF revele seu feixe de elétrons para energias de até 12 bilhões de elétron-volts, ou 12 GeV. Seu trabalho para esta instalação única e outros laboratórios nacionais é fundamental para expandir os limites da descoberta científica.

Dando o salto

Então, como esse grupo de ex-mecânicos, fabricantes, soldadores e outros profissionais mudou de marcha para o mundo da tecnologia de aceleradores? Para muitos, foi necessário dar um salto de fé, motivado por um compromisso compartilhado de expandir suas habilidades e elevar suas carreiras.

“Ao chegar aqui, definitivamente há uma curva de aprendizado no processo de montagem de criomódulos, porque ninguém vê nada parecido fora daqui. Mas o aspecto de soldagem é muito semelhante, e eu tinha muita experiência nisso”, disse o Soldador/Técnico de Montagem de Criomódulos Matt Morgan, que trabalhou anteriormente como supervisor de oficina de fabricação e soldador de tubos na Newport News Shipbuilding.

“As habilidades que trouxe para esta posição foram trabalhar com ferramentas manuais e trabalhar em coisas com as quais você precisa ser gentil”, acrescentou o técnico de montagem de criomódulos Wayne Carter, que veio para o laboratório de uma oficina mecânica automotiva. “Mas aqui é muito diferente, porque você pode destruir algo caro muito facilmente. Aprendi muito quando cheguei aqui.”

O técnico de montagem de criomódulos, Troy Pollard, concorda.

“Trabalhando em carros, você pode ser um pouco mais rude”, disse Pollard, um ex-mecânico, técnico de HVAC e trabalhador da construção civil. “Mas trabalhando em criomódulos, você tem que ser gentil e calculado.”

Depois de anos trabalhando em oficinas mecânicas na região de Hampton Roads, Wilcox disse que estava pronto para uma mudança.

“Percebi que não queria fazer isso pelo resto da minha vida, e não queria ser infeliz como todos ao meu redor”, disse Wilcox. “Eu passava de carro pelo laboratório todos os dias, indo e voltando do trabalho. Um dia, abri o site, olhei alguns empregos e as descrições, e percebi que poderia fazer algumas dessas coisas porque é tudo trabalho prático.”

Membros veteranos da equipe de montagem de criomódulos, como Wilcox e o associado de montagem de criomódulos Jared Martin, viram o escopo do trabalho do SRF Institute crescer e evoluir.

Em seus 14 anos de carreira no laboratório, Martin viu o tamanho da equipe e sua carga de trabalho quase triplicarem.

Além de construir os criomódulos que alimentaram a atualização do CEBAF de 12 GeV do Jefferson Lab e muitos outros projetos, o grupo também montou criomódulos para outras instalações de usuários do Escritório de Ciências do DOE, incluindo a atualização de energia de prótons da fonte de nêutrons de espalação do Oak Ridge National Laboratory e duas atualizações da fonte de luz coerente Linac do SLAC National Accelerator Laboratory: a atualização do LCLS-II e a atualização do LCLS-II de alta energia (LCLS-II-HE), que está atualmente em andamento.

O processo de montagem

Embora cada processo de montagem de criomódulo varie, os estágios de construção e teste dessas máquinas seguem uma progressão semelhante. Wilcox ofereceu os criomódulos C100 do Jefferson Lab como um exemplo de como as peças se juntam para acelerar o feixe de elétrons do CEBAF.

Tudo começa com uma “sequência” de oito cavidades SRF conectadas, as células de nióbio ocas e em forma de bulbo pelas quais o feixe passa. Para se tornarem supercondutoras, as cavidades precisam ser resfriadas a uma temperatura de -456 graus Fahrenheit, que é mais fria do que o espaço profundo.

Vasos projetados para conter hélio líquido superfrio são construídos ao redor de cada cavidade. O ar atmosférico é então evacuado de cada vaso para criar um vácuo, que é testado para vazamentos usando gás hélio.

De acordo com Wilcox, vazamentos pequenos o suficiente para encher um dedal com hélio ao longo de 10 anos não passariam no teste.

Depois que os vasos são qualificados, a coluna de cavidades é construída com blindagem magnética, isolamento multicamadas (MLI) e tubulação de processo soldada que fornece hélio líquido ao vaso.

Agora que o “núcleo” do criomódulo está completo, ele é colocado em uma estrutura de suporte chamada de estrutura espacial e encapsulado com blindagem térmica e MLI. Trabalhando em conjunto com a equipe de levantamento e alinhamento do laboratório, os técnicos garantem o alinhamento preciso da linha de luz, normalmente dentro de meio milímetro. Grandes variações podem diminuir o desempenho do feixe.

Então, a “massa fria” é colocada em um grande recipiente de vácuo, no qual portas, medidores, sensores e válvulas de alívio de pressão são instalados. Duas “latas finais” projetadas para ciclar hélio líquido e gasoso são adicionadas em cada extremidade do módulo com tubos de feixe de quente para frio estendidos em ambos os lados.

Para estender a linha de luz através de cada extremidade da lata, salas limpas móveis Classe 100 — livres de poeira e partículas — são usadas enquanto os técnicos selam os limites do vácuo. Mesmo a menor quantidade de contaminação pode afetar drasticamente o desempenho do criomódulo.

Após o teste de aceitação, o criomódulo concluído é instalado no acelerador.

Durante esse processo tedioso, se algum componente falhar ou as vedações de vácuo forem comprometidas, todo o criomódulo pode precisar ser desmontado e reconstruído, o que significa meses de trabalho adicional e um aumento considerável de custos.

“Eu gosto da pressão constante disso, para ser honesto”, disse Morgan. “Mas você tem que checar tudo duas vezes. Às vezes, quando estou me preparando para cortar algo, entro logo antes de cortar e verifico novamente logo antes da configuração.”

Pollard acrescentou: “É definitivamente intimidador por causa da complexidade dessas coisas.”

Os criomódulos construídos para outros laboratórios nacionais também precisam ser o mais próximo possível da perfeição. Recentemente, Martin compartilhou a notícia de que os oito criomódulos produzidos para o projeto SNS-PPU atenderam às especificações ao chegarem às instalações de Oak Ridge.

Um padrão de excelência

Quando a quase perfeição é o padrão, é natural que a equipe tenha muito orgulho de seu trabalho magistral quando tudo sai como planejado.

“Quando um criomódulo estanque sai daqui, fico orgulhoso disso”, disse Willcox. “Quando o desempenho das cavidades no criomódulo é testado, e ele atende ou excede as especificações, esse é um momento de orgulho, porque há muitas coisas que podem fazer ou quebrar um criomódulo. Mas não saberemos até depois de testá-lo.

“Um criomódulo concluído e funcional é um momento de orgulho para todos.”

Além do trabalho em si, os benefícios sociais nascidos da ciência e tecnologia de aceleradores também vinculam os técnicos de montagem de criomódulos à missão do laboratório e a um propósito maior. Por exemplo, avanços na medicina, incluindo imagens avançadas e terapias contra o câncer, foram possíveis por meio da pesquisa, desenvolvimento e produção de aceleradores de partículas.

Para Carter, esse aspecto de seu trabalho é profundamente pessoal.

“Quando fiz a entrevista para o emprego, eu estava em casa porque minha esposa tinha acabado de fazer uma grande cirurgia de câncer de cólon. Mais tarde naquele ano, ela fez uma cirurgia para câncer uterino”, disse Carter. “Ela venceu o câncer. Realmente significa muito para mim estar trabalhando em algo que pode ajudar a acabar com essa doença terrível.”

Em meio ao trabalho de alta pressão e alto risco, a equipe ainda consegue abraçar sua camaradagem e momentos de descontração que surgem entre a intensidade de suas várias tarefas. Wilcox disse que as boas vibrações da equipe vêm de lugares de gratidão e realização profissional.

“Todos nós sabemos de onde viemos”, disse Wilcox. “Um dia ruim aqui é melhor do que um dia bom em nossos antigos empregos.”

Morgan acrescentou: “Este é um lugar feliz para trabalhar porque em muitos outros lugares, as pessoas estão tentando ir para outro lugar para se aposentar. Quando você chega ao Jefferson Lab, você se aposenta daqui. Este é definitivamente o objetivo final, e isso o torna um ambiente feliz.”