Ich habe ja schon einmal geschrieben, wie ein (mein) neues physikalisches Großprojekt entsteht… mit einer Idee und einer Konferenz. Direkt danach kommen dann auch schon die ersten Schritte, sprich eine Machbarkeitsstudie, um zu demonstrieren, dass wir die Techniken beherrschen und die ganze Methode… naja, eben machbar ist.

Das geschieht heutzutage (obwohl ich dieses Wort eigentlich sehr hasse) mit Simulationen am Computer. In unserem Fall sind das sog. Monte-Carlo-Simulationen, bei denen für eine bestimmte Anzahl an Teilchen ein (wahrscheinlichkeitsabhängiger) Weg berechnet wird. Das heißt, ein Proton trifft auf unser simuliertes Be-Target, bleibt da stecken und macht nichts weiter. Ein weiteres Proton trifft auf das Be-Target und schlägt dort ein Neutron raus. Dieses Neutron kollidiert mit 5 weiteren Be-, 100 D- und 20 H-Atomen, verliert dadurch Energie und landet schließlich in unserem (ebenfalls simulierten) Detektor. Dies wird mit zigtausenden Teilchen wiederholt und benötigt dann auch ab einem bestimmten Zeitpunkt schon einen Großrechner, um die Rechenkapazität bereitzustellen. Aber kann man diesen Simulationen vertrauen? Naja, nur bis zu einem gewissen Punkt. Danach muss man eben nachmessen, ob das auch so alles stimmt und die Sache experimentell überprüfen.

Werkstatt

Ein großer Teil der Werkstatt. Wie man sieht (gelbes shirt) falle ich mal wieder unangenehm auf, bin aber glücklich.

Mein Gebiet ist die thermische und kalte Neutronenmoderation und dafür haben wir einen ersten Prototypen gebaut. Mit “wir” meine ich dabei die Mädels und Jungs aus der JCNS- Werkstatt (PGI-JCNS-TA), denn die haben kiloweise Aluminium (neutronenharte Legierung) geschweißt, gedreht, gefräst und gebohrt und mich dabei beraten, was fertigungstechnisch überhaupt möglich ist und mir auf dem Weg eine Menge Flausen ausgetrieben, wenn mir wieder irgendwelche Ideen im Kopf herumschwirren, die zwar im 3D-Programm gut aussehen, aber gar nicht vernünftig umsetzbar sind. Dabei habe ich extrem von der Erfahrung der Kollegen profitiert. Denn wenn ich jetzt wirklich ehrlich bin, dann bin ich ja erst seit ca. 3-4 Jahren im Gebiet der Neutronenstrahlung unterwegs, während in der Werkstatt viele Leute sitzen, die zu Hochzeiten des DIDO-Reaktors FRJ-2 viele Arbeiten daran betreut hatten und dieses erlernte Wissen natürlich auch an die Lehrlinge der nächsten Generation weiter gegeben haben.

Eine der wichtigsten Kompetenzen (für mich) ist dabei die Bearbeitung von Aluminium. Al ist für Neutronen nahezu unsichtbar, aber trotzdem verhältnismäßig leicht zu bearbeiten, so dass in der Regel alle unsere Werkstoffe aus Aluminium gefertigt werden (falls es möglich ist). “Verhältnismäßig leicht zu bearbeiten“ gilt hier aber auch erst mal nur für das Drehen und Fräsen, falls die entsprechenden Materialstärken möglich sind. Denn obwohl Aluminium zwar “unsichtbar” für Neutronen ist, hat es doch Auswirkungen und eine messbare Aktivierung im Neutronenstrahl. Das heißt, wir wollen auch unsere Strukturmaterialien so dünn wie möglich haben und trotzdem müssen sie Temperaturen von 300 bis 4K (bei meiner Anwendung) und Druckunterschiede von mehreren Bar aushalten. Die eierlegende Wollmilchsau halt. Zeitgleich ist reines Aluminium sehr weich und kaum als Strukturmaterial zu gebrauchen, so dass in der Regel mit Legierungen gearbeitet werden muss, die allerdings natürlich auch wieder kein Kobalt oder andere Zusätze enthalten dürfen, die für Probleme im Neutronenstrahl sorgen. Tja.

Als ob das alles nicht schon genug wäre, müssen dann auch oft Teile geschweißt werden… und dann wird es richtig kompliziert. Motiviert von verschiedenen Leichtbauweisen (vor allem im Flugzeugbau) hat es da in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gegeben, aber “mal eben schnell gemacht” ist es auch nicht und ein erfahrener Schweißer ist Gold wert.

NorbertBernard

Norbert Bernard bei Feldversuchen zum Schweißen des Wasserstoffbehälters für unseren kalten Finger.

Diesen hat die JCSN-Werkstatt (PGI-JCNS-TA) in Norbert Bernard gefunden, der nicht nur die ganzen verschiedenen Schweißtechniken mit extrem viel Erfahrung beherrscht (deren genaue Wiedergabe ich mir aufgrund fehlender Fachkompetenz nicht zutraue), sondern auch eigenständig Verfahren wie eine Dichtigkeitsprüfung mit UV-lumineszentem Kontrastmittel eingeführt hat. Hier ist er gerade dabei, das Herzstück des kalten Finger Prototypen zu schweißen, mit dem ich dann zwei Monate später in Dresden zum ersten Mal kalte Neutronen produziert habe.

Aber das Schweißen steht natürlich nur stellvertretend für die ganzen anderen Werkstücke und Handwerksdisziplinen, die in die Fertigung des Prototypen eingehen und für deren Anfertigung und kompetente Hilfe ich mich an dieser Stelle bei der Werkstatt-Crew von Jens Schnitzler ganz herzlich bedanken möchte. Dieses Bild ist spontan vor meiner Abreise zur Messzeit nach Dresden entstanden, weshalb nicht alle anwesend sind, die bei den ersten Schritten der HBS mitgewirkt haben (und weshalb nicht jeder das Werkstück in der Hand hält, das von ihm angefertigt wurde). Aber es wird sicher noch weitere Fotos geben, auf denen dann die Leute auch mit drauf sind, die es nicht auf dieses Bild geschafft haben.

Mein Traum ist es, dass im Jahre 2030, wenn die ersten Neutronen an der neuen Jülicher Neutronenquelle produziert werden, bei der Eröffnungszeremonie diese Bilder gezeigt werden und dann darunter steht: “HBS-Jülich, so hat damals alles angefangen.”

Abends um 19:00 am 27. April waren sich alle Beteiligten sicher: “Wir haben zum ersten mal am AKR-2, dem Ausbildungskernreaktor der TU Dresden, kalte Neutronen für wissenschaftliche Untersuchungen erzeugt.”

Dies gelang mit dem neu entwickelten, kalten Finger des Forschungszentrums Jülich. Der sog. kalte Finger ist ein wichtiger Bestandteil einer neuen Generation von Neutronenquellen, die in Zukunft (nach Hoffnung der beteiligten Wissenschaftler) Forschungsreaktoren ersetzen und Neutronenquellen auch für Universitäten und kleinere Einrichtungen ermöglichen soll.

Bei dem Experiment wurden schnelle Neutronen aus dem AKR-2 Reaktor zuerst durch Schwerwasser (D2O) bei Raumtemperatur und dann durch kryogene, wasserstoffhaltige Materialien (in diesem Fall Mesitylene (C9H12)) auf die Temperatur von flüssigen Stickstoff verlangsamt (moderiert) und in einer extra für diesen Zweck aufgebauten Teststrecke gemessen.

Damit ist die TU Dresden nach der TU München die zweite deutsche Universität, die über die Möglichkeit verfügt kalte Neutronen zu erzeugen (Mainz hat nur Ultrakalte *g*). Ob diese in zukünftigen Experimenten auch für aktuelle Fragestellungen der Festkörperphysik genutzt werden können, wie dies in München am Forschungsreaktor des MLZ der Fall ist, werden weiterführende Experimente in naher Zukunft zeigen.

 

Die mobile TOF Flugstrecke am AKR-2 Reaktor

Die mobile TOF Flugstrecke am AKR-2 Reaktor

Die High Brilliance Neutron Source ist eine Neutronenquelle auf Basis eines Teilchenbeschleunigers und die Antwort aus Jülich auf das europaweite Aussterben von Forschungsreaktoren zur Neutronenproduktion. Sie erlaubt es ähnlich viele Neutronen für Streuexperimente zur Verfügung zu stellen, wie die mittlerweile ausgemusterten Reaktoren ohne dafür spaltbares Material zu verwenden oder ernsthaft Atommüll zu produzieren.

Herzstück der HBS ist ein Target/Moderator System in dem Protonen oder Deuteronen auf ein leichtes Beryllium Target geschossen werden und dort niederenergetische Neutronen herausschlagen. Grundsätzlich funktioniert das Prinzip ähnlich, wie bei der Spallation aber die Be(d,n) Kernreaktion ist ein gutes Stück ineffizienter. Dafür haben die produzierten Neutronen eine wesentlich geringere Energie und können somit um einiges effektiver genutzt werden. Diese effiziente Kopplung von Projektil, Target, Moderation und Neutronenoptik soll es dann schließlich erlauben in Bereichen zu gelangen, in denen die Anzahl an effektiv genutzten Neutronen in die gleichen Größenordnungen vorstoßen, die derzeit an Mittelfluss-Forschungsreaktoren verwendet werden. Dies alles verbirgt sich hinter dem Schlagwort “Brilliance”.

Eine grobe Konzeptskizze der HBS. Ein Teilchenbeschleuniger versorgt drei Targetstationen in denen Neutronen mit unterschiedlichen Repititionsraten und Pulslängen für verschiedenen Instrumente bereitgestellt werden.

Eine grobe Konzeptskizze der HBS. Ein Teilchenbeschleuniger versorgt drei Targetstationen in denen Neutronen mit unterschiedlichen Repititionsraten und Pulslängen für verschiedenen Instrumente bereitgestellt werden.

 

Die Neutronenlandschaft in Deutschland und Europa hat ein Problem. Wie ich hier schon mal erzält habe werden immer mehr alte Forschungsreaktoren abgeschaltet und so erscheint für die baldige Zukunft (in ca. 5 Jahren) eine deutliche Unterversorgung am Horizont. Dies könnte nur durch den Neubau von Neutronenquellen abgemildert werden und da in Deutschland sicher kein Reaktor mehr gebaut werden wird bleibt grundsätzlich nur die Möglichkeit der Spallation oder der kompakten beschleunigergetriebenen Neutronenquelle (CANS).

Eine Spallationsquelle ist finanziell und bautechnisch sehr kompliziert zu realisieren, denn die hohen Neutronenenergien machen es notwendig, dass viele bauliche und ingenieurstechnische Hürden überwunden werden müssen. Dies ist grundsätzlich zwar möglich wie der fortschreitende Bau der ESS, der leistungsfähigsten Neutronenquelle der Welt, aktuell jeden Tag auf neue zeigt, aber es ist auch eben das… Zeit- und Kostenintesiv.

Wenn wir uns andere Techniken und Verfahren angucken, wie z.B. Röntgen (Photonen) oder Simulationen am Computer, dann fällt auf, dass es diese Verfahren in allen Größenordnungen gibt. Es gibt die Großgeräte, wie Synchrotrons, Frei-Elektronen-Laser und Supercomputer auf internationaler Ebene. Auf mittlerer Ebene gibt es Laboröntgenquellen und kleinere Rechencluster in größeren Universitäten oder Forschungseinrichtungen und schließlich existieren kleine Endgeräte, wie medizinische Röntgengeräte und Desktop PCs. Lediglich für Neutronen gibt es diese Einteilung nicht. Hier gibt lediglich Großgeräte mit der entsprechenden Aktivierungsbarriere diese überhaupt benutzen zu können und zu dürfen.

Die HBS selber soll ein Großgerät sein, dass die Rolle früherer Forschungsreaktoren ausfüllen kann. Aber die Technik, die hier die Brillianz und Kosteneffektivität erzeugt ist grundsätzlich verkleinerbar, so dass mit dem gleichen Wirkungsprinzip und den Kenntnissen, die beim Bau der HBS gewonnen werden, die Entwicklung von leistungsstarken Laborquellen und ggf. noch kleineren Endgeräten möglich ist.

Seit der Erfindung von Linsen und Mikroskopen haben wir mit jeder neuen Technik und jeder neuen Leistungsstufe tiefe und bessere Einblicke in die Welt um uns herum bekommen. Diese Entwicklung wird auch in der Neutronentechnik weiteregehen und immer leistungsfähigere Quellen hervorbringen. Aber gleichzeitig ist es genauso wichtig für eine gute Basis zu sorgen und jedes Schulkind, dass sich mit einem Mikroskop die Struktur eines Blattes anguckt, legt damit den Grundstein für die Wissenschaft von morgen. Wenn sich jeder Bachelorstudent im Praktikum schon mit polarisierten Neutronen komplexe magnetische Strukturen angucken kann… zu was wird dieser Student dann erst nach seiner Ausbildung in der Lage sein?

Die Zukunft für Wissenschaftlerinnen, die in Europa Neutronenstreuung benutzen, um tief in Materialien hinein zu gucken, ist gleichzeitig sehr hell und ziemlich duster. Sehr hell auf der einen Seite, weil derzeit die ESS, die Europäische Spallations-Quelle, in Lund (Schweden) gebaut wird. Die Quelle wird mit ihrer Brillianz in Größenordnungen vorstoßen, die vorher nicht erreichbar waren und (so zumindest die Hoffnung der Beteiligten) neue Phänomene sichtbar machen, die vorher nicht beobachtet werden konnten (und damit eine völlig neue Physik entdecken).

Allerdings hat die ESS (je nach Planungsstand) nur ca. 20 Instrumente, so dass lediglich eine sehr begrenzte Anzahl an Wissenschaftlerinnen überhaupt in den Genuß kommen werden, dort messen zu dürfen. Alle anderen Experimente, die nicht zu den besten und/oder vielversprechendsten ihrer Generation gehören, werden an anderen, kleineren Quellen durchgeführt werden müssen und diese Art von Neutronenquellen stirbt zur Zeit leider aus.

Dies ist dann auch direkt der Grund, warum es in Europa gleichzeitig oben hell ist und unten ziemlich duster wird. Diese Mittelflussquellen, die in Zukunft genutzt werden würden, um normale Experimente zu machen, simple Kapazität bereit zu stellen, Instrumente zu entwickeln und Nachwuchswissenschaftlerinnen auszubilden, werden nach und nach abgeschaltet, ohne dass derzeit konkrete Pläne sichtbar sind, sie durch neue zu ersetzen.

Dies liegt vor allem daran, dass die ganzen alten Quellen Forschungsreaktoren sind bzw. waren. Diese Forschungsreaktoren sind zwar nicht ganz so problematisch wie Kernkraftwerke, aber dennoch ist ihr Betrieb mit einer ganzen Menge Problemen behaftet. Eines der deutlichsten Probleme (zumindest für den Standort Deutschland) ist die Schwierigkeit, dass die Kosten ohne eine deutliche Unterstützung der Kernenergie-Infrastruktur deutlich steigen und somit für die Forschung zunehmend unrentabler werden. Daher hat (obwohl sie inhaltlich nur recht wenig miteinander zu tun haben) der Atomausstieg auch das Ende der Forschungsreaktoren in Deutschland besiegelt.

pyramide_mittel

Jacob Müller, nach einer Idee von Tobias Cronert

In dieser Zeichnung hat der talentierte Jacob Müller dies einmal in einem kleinen Bild verdeutlicht. Die Neutronenlandschaft ist aufgebaut wie eine Pyramide. Oben wird gerade an dem Leuchtturm, der ESS, gebaut, die die leuchtende Zukunft der Community symbolisiert. Diese steht auf den Schultern des ILL-Grenoble (der derzeit leistungsfähigsten Quelle), die sich wiederum auf eine User-Community aus den lokalen nationalen Neutronenquellen stützen kann. Wenn man aber nun nach links unten blickt, dann sieht man schon den DIDO-Reaktor des Forschungszentrums Jülich im Sand liegen, der 2006 abgeschaltet worden ist. Dies ist dann auch die Hauptgefahr, der sich die Neutronen-Community gegenübersieht. Denn auch wenn die Pyramide ohne den FRJ-2 noch tragfähig ist, so fehlt er sicherlich im Fundament einer solide aufgestellten Konstruktion. Außerdem sieht man schon die nächsten Steine bröckeln, denn der Orphée-Reaktor in Paris wird 2019 abgeschaltet und das Ende des BER II in Berlin folgt ein Jahr später 2020.

Die Schieflage der Pyramide wird letztendlich ein Mangel an Kapazität und Nachwuchswissenschaftlerinnen sein. Denn so toll die ESS auch ist, wird sie auf lange Zeit ihr volles Potential nur entfalten können, wenn sie von einer breiten Masse an Neutroneninfrastruktur getragen wird.

Das war das Problem und nun kommt unser Lösungsvorschlag:

Der Wegfall der Mittelflussquellen kann durch ein Netzwerk an lokalen, hochbrillianten Neutronenquellen auf der Basis von Teichenbeschleunigern kompensiert werden. Diese HBS (Hoch brilliante Neutronenquelle) kann durch Effizienzoptimierung an die Leistungsfähigkeit eines Forschungsreaktors heranreichen und kommt dabei vollkommen ohne spaltbares Material aus.

Darüber hinaus kann man dieses Prinzip auch noch weiter verkleinern und eine Neutronenquelle entwickeln, die nur noch so groß ist, dass sie von Universitäten angeschafft und betrieben werden kann. Somit wäre eine Spitzentechnologie, die bislang nur an wenigen Großgeräten zur Verfügung stand, so “salonfähig”, dass sich eine noch breitere Basis entwickeln würde.

Um bei dem Bild der Neutronenlandschaft zu bleiben, würde ich dann eben nicht mehr von einer Pyramide sprechen wollen, sondern von einem Eisberg, der um so weiter aus dem Wasser hinausragt, je größer seine Basis ist.

Dass Bananen viel radioaktive Strahlung (zumindest mehr ionisierende Strahlung als ein Handy) abgeben, hatte ich ja schon geschrieben, aber bislang völlig verschwiegen, dass man mit Bananen auch Radioaktivität messen kann. Naja, einen Bananendetektor versuchen wir aktuell noch vergebens zu bauen, aber wir können zumindest schon mal gemessene Radioaktivität in Bananen ausdrücken, in sog. Bananenäquivalentdosen.

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