Letztens (hust hust) gab es hier in Jülich den Tag der Neugier. Das ist in etwa sowas wie ein Tag der offenen Tür und weil ich keine Neutronenquellen, Teilchenbeschleuniger oder Minireaktoren zeigen kann (oder darf) habe ich einen kleinen Film darüber gemacht und ihn in unserem kleinen Neutronenkino immer abwechselnd mit den anderen Filmen des Jülich Centre for Neutron Science und Patrick Stewart laufen lassen. Da dieser nun einmal in der Welt ist möchte ich ihn euch natürlich nicht vorenthalten und habe den lieben Thomas Michalski, der beim Filmen hinter der Kamera stand und nachher hinter dem Rechner saß, gebeten das gute Ding bei YouTube hochzuladen.

An Skurrilität kommt er natürlich nicht an den CERN-Rap heran aber unterm Strich ist es auch etwas, dass ein armer, kleiner, überarbeiteter Doktorand zusammen gezimmert hat, als er ein bisschen Ablenkung brauchte und sich nicht nach draußen getraut hat um mit den anderen Kindern zu spielen. Im Allgemeinen erkläre ich mein Projekt und meinen Traum von einer neuen Art hochbrillianter Neutronenquellen, wie ich dies schon mal des öfteren hier auf SB getan habe. Aber im Film gibt es dazu auch noch ein paar Bilder und selbstgemachte “Animationen”.

Wenn ihr also wissen wollt, was ich mit Neutronen so mache und 10 Minuten Zeit habt, seid ihr natürlich herzlich eingeladen meinen Hobbyfilm anzugucken, zu teilen und alles andere damit zu machen für das YouTube ja so berüchtigt ist.

Dabei gebührt mein Dank natürlich vor allem dem guten Thomas Michalski, seines Zeichens Schriftsteller, Layouter und vieles mehr, der darüber hinaus auch noch mein Freund ist und dessen Fähigkeiten und Enthusiasmus ich es zu verdanken habe, dass wir “mal eben” sowas machen können. Wenn ihr Zeit habt könnt ihr auch mal gerne auf seiner Seite oder seinem YouTube Channel (auf dem das Video läuft) herumstöbern. Soweit ich weiß gibt es da auch noch Filme mit mir als halbnackten Barbaren in Eifelarea… was dann an Skurrilität doch wieder in die Liga des CERN-Rap vorstößt *g*

Disclaimer 1: Der ganze Inhalt ist selbstverständlich meine Privatmeinung und auch wenn mein Chef natürlich weiß, was ich so tue, repräsentiert der Inhalt nicht die Meinung meines Institutes, einer Abteilung davon… oder so.

Disclaimer 2: Da wir das ganze mehr oder weniger in einem Rutsch aufgenommen haben, es kein wirkliches Skript gab und wir quasi nichts geschnitten haben, schlichen sich einige kleinere Fehler ein.

  • Der Teilchenbeschleinunger des Cern ist zwar immer noch der größte und stärkste lineare Protonenbeschleuniger der Welt, aber “nur” knapp 700 Meter lang.
  • An der ESS wird es in der ersten Ausbauphase 22 Instrumente geben und nicht 19, wie ich in dem Film behaupte.

PS: Auch wenn aktuell kein weiterer Film geplant ist freue ich mich natürlich sehr über konstruktive Kritik und Vorschläge, was wir beim nächsten Mal besser machen können.

Die JCANS (Japan Collaboration of Accelerator driven Neutron sources) ist ein Netzwerk von größeren und kleineren japanischen Neutronenquellen, die sich zum Zwecke der Zusammenarbeit und des gegenseitigen Austausches zusammen getan haben. Das ist jetzt auch erst mal nichts Besonderes, denn mit der KFN (dem Komitee zur Forschung mit Neutronen) gibt es in Deutschland etwas recht ähnliches, aber schon auf den zweiten Blick bemerkt man eine ganze Menge signifikante Unterschiede.

Zuerst einmal ist die JCANS auf beschleunigerbasierte Quellen (derzeit 9 Stück) und industrielle Partner beschränkt und fokussiert sich daher mehr auf die Quellen und deren Bedürfnisse im Gegensatz zu der Wissenschaft, die damit “produziert” wird, so wie es die KFN tut.

Zweitens – und das ist meiner Meinung nach noch wesentlich wichtiger – kommen die Mitglieder von einer sehr großen Bandbreite an Quellen. Von Quellen, die seit den 70gern in Betrieb sind, bis zu brandneuen, die 2018 an den Start gehen wollen. Von kleinen Quellen ohne größeres Budget mit gerade einmal 3 Mitarbeitern bis zu multinationalen Firmen wie Toyota Motor Corporation. Von Grundlagenforschung in der Astrophysik oder dem Standardmodell bis zu Stresstests in tiefgezogenem Metall in der Automobilindustrie. Diese große Bandbreite an verschiedenen Erfahrungen und Expertisen hilft ihnen extrem auf das gemeinsame Ziel hin zu arbeiten, der möglichst effektiven Nutzung von Neutronen als mikroskopische Untersuchungsmethode.

Gleichzeitig ist die JCANS natürlich in die internationale WIssenschaftslandschaft integriert. Hauptsächlich auf der Seite der UCANS (Union for Compact Accelerator driven Neutron Sources), da alle Mitglieder der JCANS – mit Ausnahme der J-Parc Spallationsquelle natürlich – eben kompakte Neutronenquellen sind, die sowieso mit der UCANS zusammenarbeiten würden.

Was hat das nun mit der deutschen Situation zu tun? In Deutschland sind alle Neutronenquellen (mit Ausnahme von FRANZ) Forschungsreaktoren (und keine Teilchenbeschleuniger) und werden in naher Zukunft abgeschaltet, wie ich ja vorher schon einmal berichtet hatte. Wir wollen nun diese Forschungsreaktoren mit Quellen auf der Basis von Teilchenbeschleunigern ersetzen (wie z.B. die HBS) und gleichzeitig noch kleinere Quellen bauen, die sogar in Universitäten Verwendung finden können. Das MLZ in Garching und der FRM II wird natürlich die große nationale Quelle in Deutschland bleiben, aber darüber hinaus gibt es ausreichend Bedarf und Nachfrage.

Also wenn wir nun diese Art Quellen in Europa etablieren wollen, dann sollten wir auch direkt von den Japanern lernen und von Anbeginn an eine europäische Version der JCANS auf die Beine stellen. Als Fundament können wir die Neutronenstreuer-Community benutzen, die schon lange über ein gutes Netzwerk zwischen den ganzen verschiedenen Naturwissenschaften (Physik, Biologie, Chemie, Kristallographie etc.) verfügt und dann weitere Wissenschaftler einladen, die mit Neutronen arbeiten. Derzeit treffen sich des öfteren einige europäische Partner in Unkel, in der Nähe von Bonn, um ein gemeinsames Konzept für hochbrillante Neutronenquellen zu entwickeln. Die könnten komplett übernommen werden und das Ergebnis würde in etwa wie in dieser Skizze aussehen.

eUCANS_OU

Da jetzt die JCANS eine nationale Kollaboration ist, könnte man auch darüber nachdenken, ob hier nicht auch ein nationaler Alleingang möglich wäre. Ich halte das aber für eine schlechte Idee: Erstens, weil es in den entsprechenden Ländern einfach nicht genug Neutronenquellen gibt und zweitens – meiner Meinung nach wesentlich wichtiger – sollten wir nach mehr Europa und mehr Zusammenarbeit (nicht nur in den Wissenschaften) streben, statt jeden für sich selber kämpfen zu lassen. Ich hoffe sehr, dass wir während dieses Entwicklungsprozesses uns eine Scheibe von dem abschneiden können, was die Japaner mit der JCANS sehr erfolgreich vorgemacht haben.

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.”

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?