Eine Auswahl der aktuellen Doktorantinnen

Eine Auswahl der aktuellen Doktorantinnen

Na, wer will meinen Job haben? Viel Arbeit, viel Herumgereise durch die Weltgeschichte, Arbeiten mit radioaktiven Materialien und geregelte Arbeitszeiten kenne ich nur vom Hörensagen. Dafür gibt es dann die einzigartige Möglichkeit an einem brandneuen Projekt mitzuarbeiten, das es auf der Welt in dieser Form noch nicht gegeben hat und kompakte Neutronenquellen als mikroskopische Sonde in der Materialforschung einem breiten Universitätspublikum zugänglich zu machen.

Der zukünftige engste Kollege ist ein Idiot und diskutiert im Internet mit Bananen, aber der Chef ist toll und die Arbeitsgruppe und das Institut sowieso.

Oder anders gesagt: Meine Zeit als Doktorandin ist vorbei und ich suche eine Nachfolgerin für eine Promotionsstelle in der Physik, konkret der Neutronenstreuung bzw. Moderation. Noch konkreter soll ein kryogener ortho/para Wasserstoffmoderator, den irgendeine Idiotin mit zwei linken Händen zusammengestöpselt hat, in Dauerbetrieb genommen und weiterentwickelt werden. Als Anforderungsprofil für die Stelle gäbe es diesen Ansatz:

  • Die Schrauberin: Abschluss in Physik, physikalische Chemie, Materialwissenschaften oder als Physikingenieurin mit einem starken experimentellen Schwerpunkt in Kryotechnik, Festkörper- oder Kernphysik. Grundlagenkenntnisse in Quantenmechanik sind Voraussetzung. Experimentelle Erfahrung in einem der folgenden Gebiete: Raman-Spektroskopie, Neutronen- (ggf. Röntgen)streuung oder Kryotechnik ist erforderlich, sowie die Bereitschaft sich in die anderen einzuarbeiten. Grundlagenkenntnisse in CAD, ANSYS und/oder LabView wären hilfreich, können aber auch “on the job” erworben werden. „Handelsübliche“ Kenntnisse in Programmierung und elektronischer Datenverarbeitung werden vorausgesetzt. Ach ja, und das Wichtigste ist natürlich die Lust an einem komplexen Gerät, das es in dieser Form noch nicht auf der Welt gibt, so lange herumzuschrauben und zu basteln (und darauf einzuschlagen), bis es vernünftig funktioniert und eine neue Ära in der Erforschung kondensierter Materie einleitet.

Für diese, zugegebenerweise nicht ganz einfachen Anforderungen, gibt es dann die üblichen Doktorandinnenleistungen: Dreijahresvertrag, ein Gehalt von dem man nicht verhungert (75% von dem, was ein Lehrer verdient (¾ E13) ) und eine Promotion an der RWTH Aachen (Fakultät Physik, Lehrstuhl Festkörperphysik Dr. rer. nat. oder bei Bedarf auch Dr. ing. möglich). Dazu kommt der Bonus des Forschungszentrums Jülich d.h. gute Fortbildungsprogramme, Konferenzen und logistische Unterstützung, wenig Lehrverpflichtung (nur Spezialvorlesungen, bei denen man selber noch was lernt) und exzellente Forschungsinfrastruktur (Geräte, Ausstattung und Techniker, Elektriker, Ingenieure etc.).

Dienstort ist das malerische Jülich inmitten von Rübenäckern und Bergbaulöchern, aber Wohnen in Aachen, Köln oder… notfalls auch… urgs… Düsseldorf funktioniert erfahrungsgemäß auch ganz gut, obwohl ich in meinen drei Jahren wohl maximal die Hälfte der Zeit vor Ort und den Rest an irgendwelchen externen Forschungsorten verbracht habe.

Bei Fragen könnt ihr euch gerne hier oder per Mail melden. Die Bewerbung bitte über den offiziellen Weg über das Forschungszentrum Jülich.

… und übers Weitersagen an Freunde und Bekannte, die dafür in Frage kommen würden, würde ich mich natürlich freuen.

Die Offizielle Stellenausschreibung gibt es hier: http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Stellenangebote/_common/dipldok/d129-2017-jcns-2.html?nn=718260

Wer erfolgreich eine tolle Kandidatin für uns einwirbt bekommt von mir wahlweise einen persönlichen Artikel über ein Thema der Wahl, ein Waffeleisen oder einen Eisbecher ausgegeben.

3K0A0129Wenn wir schon mal auf der anderen Seite der Welt sind, dann können wir ja auch noch gerade mal in Korea vorbeischauen und dort auf eine Konferenz gehen. Naja, ehrlich gesagt haben wir unsere Japanreise natürlich schon so geplant, dass sie mit der größten Neutronenstreukonferenz der Welt, die alle vier Jahre stattfindet, zusammenfällt und diesmal war es eben im Sommer 2017 in Daejeon, Korea.

Konferenz für Neutronenstreuung heißt hierbei, dass es sich hauptsächlich um die Anwendung von Neutronenstrahlen dreht. Also die Instrumente, die an einer solchen Quelle betrieben werden können und die konkrete Wissenschaft, die damit gemacht werden kann. Ich saß z.B. in einem Vortrag zu dem Multiferroikum MnWO4 (bzw. Hübnerit), wo neue Erkenntnisse zu dessen magnetischer Struktur vorgestellt wurden. Denn wie manch andere multiferroische frustrierte Spinsysteme auch, erzeugt dieses Material eine Spinspirale, die besonders gut mit polarisierten Neutronen erforscht werden kann und mit der man z.B. elektronische Speicher und Quantencomputer der Zukunft herstellen könnte – Grundlagenforschung also.

3K0A1142Aber auch wir hatten mit unserer neuen Art Neutronenquelle dort einen festen Platz und waren recht beliebt bei den ganzen Forschern, die sich fragen, wo sie denn in Zukunft ihre Neutronen herbekommen sollen. Bei den vielen Beiträgen sind die Vortrags-Slots entsprechend hart umkämpft und ich hatte diesmal leider keinen Vortrag bekommen, sondern musste mich mit einem Poster begnügen. Nur einer aus unserem Team durfte letztendlich unsere Neutronenquelle dort auf der Bühne vorstellen und wir anderen mussten auf Laufkundschaft an unseren Postern warten. Davon gab es dann allerdings recht viele und mein Poster hat dann letztendlich auch den “Best Poster Award” gewonnen. Eine Tatsache, die ich aber wohl wesentlich mehr Jakob Müller und seinen tollen Zeichnungen zu verdanken habe als meinen bescheidenen “Grafik-zusammenstöpsel”-Kenntnissen. Da das Poster sowieso schon seinen Weg in die Öffentlichkeit gefunden hat, will ich es euch natürlich auch nicht vorenthalten und habe es daher der Vollständigkeit hier noch einmal hochgeladen (ICNS2017PP).

Blick in die Neutronenleiterhalle des HANARO Forschungsreaktors

Blick in die Neutronenleiterhalle des HANARO Forschungsreaktors

Zu der Konferenz selber gehörte auch noch eine Tour durch den Forschungsreaktor HANARO in Daejeon, der eigentlich, genauso wie der FRM-2 in Garching, hauptsächlich als Neutronenquelle für Streuexperimente von Physikern, Chemikern und Biologen dient. Im Gegensatz zu Garching ist der Reaktor aber ein Jahr nach dem Reaktorunfall von Fukushima abgeschaltet und seitdem nicht wieder hochgefahren worden. Wer also Angst vor Kernreaktoren für eine typisch deutsche Errungenschaft gehalten hat so wie ich z.B., der kann an diesem Beispiel lernen, dass dies vor allem im asiatischen Raum in China, Japan und eben Korea auch ein großes politisches Thema ist. Teilweise sogar wesentlich mehr als in Deutschland, wo mMn nach dem beschlossenen Atom(energie)ausstieg eine Menge Dampf aus dem Kessel gelassen wurde.

sticker

Anti-Spionage-Sticker der koreanischen Atomenergiebehörde

Dies war wahrscheinlich auch einer der Gründe für die wirklich erhöhten Sicherheitsrichtlinien, die wir für den Besuch über uns ergehen lassen mussten. Eine vorherige Akkreditierung mit Backgroundcheck war genauso nötig wie ein Überkleben aller Handykameras mit entsprechenden Stickern und das in dem Land, in dem gefühlt jeder Kühlschrank über ein Touchpad mit WLAN und Kamerafunktion verfügt. Die Chinesen waren da bei unserem Besuch ein halbes Jahr vorher wesentlich entspannter – hmm, so what.

Ich fürchte, mit dem Land Korea werde ich nicht so wirklich warm. Die Dichte an amerikanischen Fastfoodläden von McDonalds über Starbucks bis hin zu PizzaHut ist gefühlt größer als in Miami und Bier und Chicken (im KFC-Style) als aktuell beliebtestes Essen ist auch nichts, mit dem ich mich wirklich anfreunden kann… oder für das ich zumindest nicht um die halbe Welt reisen muss. An den wenigen Abenden, an denen wir nicht auf der Konferenz versorgt wurden, haben wir zwar schon traditionell Koreanisch gegessen (in den entsprechenden Restaurants, wo wir die einzigen Ausländern waren), aber besser (oder exotischer) als im Bulgogi Haus in Köln-Weidenpesch war das jetzt auch nicht. Das selbstgemachte Kimchi, das ich hier in meinem Kühlschrank habe, ist genauso gut wie das in Korea und der einzige Unterschied ist offensichtlich, dass ich es zuhause nicht mit der Schere schneide.

Ich habe noch in einem koreanischen Brautmodengeschäft einen Gat (traditioneller dummer Hut) gekauft, den dann aber leider im Hochgeschwindigkeitszug nach Seoul (die echt überall auf der Welt besser sind als in Deutschland) liegen lassen. Die Herausforderung mit dem Reiskocher habe ich lieber direkt sein gelassen und versuche mein Glück dann wohl lieber in Japan, wenn bzw. falls ich da noch mal hinkomme.

Gerade war ich in Japan bei unseren Kollaborationspartnern am Forschungsinstitt RIKEN, um zu fragen, ob ich mir mal ihren Teilchenbeschleuniger ausleihen darf… Irgendwie scheint das ein regulärer Teil meiner Arbeit zu werden, bei fremden Leuten aufzutauche,n um mit großen Kulleraugen um Strahlzeit zu betteln. Naja, gibt Schlimmeres, aber fangen wir mal vorne an zu erzählen.

Also RIKEN ist ein Forschungszentrum – ganz ähnlich wie Jülich – das sich auf Kernphysik spezialisiert hat. Vor kurzem haben sie mit dem extrem starken Teilchenbeschleuniger dort das neue Element Nihonium gefunden… naja eigentlich haben sie (innerhalb von mehreren Jahren) “drei Ereignisse” nachgewiesen (also sie konnten insgesamt 3 Atome produzieren und messen), was unter Kernphysikern offensichtlich ausreicht, um ein neues Element zu entdecken.

Aber ich bin ja Festkörperphysiker und habe davon nur sehr wenig Ahnung und war deswegen auch gar nicht da. Ich war vor Ort, um mit der Neutronengruppe zusammenzuarbeiten und ihren kleinen Teilchenbeschleuniger samt Neutronenquelle zu benutzen. Diese Neutronenquelle, RANS (RIKEN Accelerator-driven Neutron Source), ist eigentlich genau das, was wir im HBS-Projekt in Deutschland auch für Universitäten bauen wollen. Teilchenbeschleuniger, Neutronentarget und Instrument sind zusammen nur ca. 15 Meter lang und ca. 2m breit. Trotzdem produzieren sie ca. 10^9 n/s, von denen 10^5 n/s an der Probe ankommen und genutzt werden können. Das reicht für spezialisierte Fragestellungen durchaus aus, um aktuelle Wissenschaft zu betreiben und genau dies wollen wir, wie schon öfter hier erwähnt, auch an deutschen Universitäten verbreiten.

Nun gehen an der Stelle unsere Absichten aber schon etwas auseinander. Wir in Jülich wollen immer präzisere Neutronenquellen bauen, so dass wir viel mehr Neutronen auf eine Probe fokussieren können. Die Leute von Riken allerdings wollen ihre Quelle mit dem Teilchenbeschleuniger sogar noch weiter verkleinern, um sie auf einen LKW bauen zu können. Denn falls so eine Quelle transportabel wird, dann könnte man sie benutzen um Brücken und ähnliche Betonkonstruktionen damit zu durchleuchten. Dies ist nämlich einer der weiteren großen Vorteile von Neutronen. Während Röntgenstrahlen – vor allem die von Laborquellen – nur wenige mm in Materialien eindringen können, so können Neutronenstrahlen ohne größere Probleme auch durch meterdicke Beton oder Stahlkonstruktionen hindurchgehen.

Konzept einer Neutronenquelle zum Durchleuchten von Brücken und ähnlichen Strukturen

Die Japaner haben nämlich ein Problem. Während des japanischen Wirtschaftswunders nach dem 2. Weltkrieg wurden sehr viele Brücken gebaut, die nun, nachdem die entsprechenden Jahrzehnte ins Land gegangen sind, Risse, Wassereinlagerungen und andere Schwachstellen bekommen. Dabei ist die Diagnose erstaunlich schwierig, denn Ultraschall und Röntgen kann man nur sehr lokal einsetzen und ansonsten kann man nur gucken, ob sich auf der Oberfläche irgendwelche Risse bilden. Daher hatte die Gruppe aus RIKEN eben die tolle Idee dafür Neutronenstrahlen einzusetzen, woran jetzt seit einigen Jahren gearbeitet wird.

Naja, langer Rede kurzer Sinn, ich darf gerne ihre Neutronenquelle für meine Versuche benutzen und muss jetzt nur noch meinen Chef davon überzeugen mich mit meinem ganzen Equipment um die halbe Erde zu karren… obwohl dort alles voll von aggressiven Rehen ist.

Nara_pres

Mein Votrag im japanischen Theater mit der neuesten Pyramide von Jacob Müller

Das ist dann auch schon direkt die Überleitung zu dem anderen Grund meiner Reise nach Japan: Eine Spezialistenkonferenz über Neutronenoptiken, oder kurz NOP. Die fand in Nara/Japan in einem malerischen Tempelbezirk mit japanischem Garten und besagten heiligen Rehen (eigentlich Sikahirsche s.u.) statt und beschäftigte sich nahezu ausschließlich mit der gezielten Extraktion und Verwendung von Neutronen. Kalte Neutronen haben nämlich einen riesigen Vorteil gegenüber thermischen Neutronen und vielen anderen Partikelstrahlen. Wenn ihre Energie abnimmt, dann bekommen sie gewisse Eigenschaften, die man sonst eher nur von sichtbarem Licht kennt wie z.B. die Totalreflektion. Neutronen kann man z.B. an einem Spiegel unter einem bestimmten Einfallswinkel spiegeln und wenn man nun einen Leiter aus solchen spiegelnden, beschichteten Glasflächen produziert, kann man Neutronen quasi wie bei Lichtwellenleitern und Glasfasern transportieren. Darüber hinaus kann man auch Sammellinsen einsetzen und die Neutronen polarisieren, aber das führt an dieser Stelle ein wenig zu weit. Unter anderem auch, weil diese Techniken wirklich die “leading edge” Technologie in der Neutronenphysik sind und sich da noch vieles erst etablieren muss, bevor ich hier sicher davon reden kann.

Kurz bevor wir nach Tokyo gefahren sind, haben es mein Kollege und ich es auch noch geschafft auf den Fujisan, Japans höchsten (Vulkan)Berg, zu klettern. Wir haben den Aufstieg am ersten Tag der Saison gewagt, als der Weg gerade aufgemacht wurde und wurden dafür mit eisigen Temperaturen am Nullpunkt (in Tokyo 35°C), eisigen Winden und geschlossenen Schreinen belohnt 😉 . Aber es hat sich trotzdem sehr gelohnt und der Pilgerweg dort hinauf ist auf jeden Fall eine Erfahrung wert.

Als Deutscher habe ich mich in Japan auf jeden Fall sehr wohl gefühlt und auch (oder vor allem) auf Wissenschaftsebene haben wir dieselben Einstellungen. Ich hoffe sehr, dass wir auch in Zukunft unsere Zusammenarbeit wie geplant fortsetzen können und zusammen die brillianten Neutronenquellen der Zukunft für Jedermann bauen können

PS:

Eins
Zwei
Drei
Vier

„Wenn später mal viele neue Neutronenquellen auf Basis des HBS-Prinzips ihren Dienst in Europa aufgenommen haben, möchte ich, dass man sich an Unkel erinnert und sagt: ‚Hier hat alles angefangen.’…“

Damit eröffnete Prof. Brückel den ScienceCase Workshop in Unkel bei Bonn am Rhein und macht damit auch direkt den dritten Schritt um diese selbstgemachte Prophezeiung wahr werden zu lassen. Die ersten beiden Schritte wurden jeweils im Herbst 2016 und 2015 getan, als wir uns zum ersten Mal in dem malerischen Hotel am Fuße des Drachenfelses getroffen haben, um einen Vorschlag für die neue Art effektiver und günstiger Neutronenquellen zu machen (wie ich hier bereits berichtet habe).

Nun sind wir nach den ersten vorsichtigen Schritten auf totalem Neuland und den ganzen damit verbundenen Arbeiten, Experimenten und Simulationen an dem Punkt angekommen, an dem wir uns an die Geldgeber und Projektträger dort draußen richten um unseren Traum von Neutronenquellen für Jedermann wahr werden zu lassen. Dazu braucht es dann natürlich auch eine möglichst klar definierte Fragestellung von den besten Wissenschaftlern, die aktuell auf diesem Gebiet unterwegs sind, also einen ScienceCase.

Um genau diesen zu definieren hat das Jülich Center for Neutron Science Repräsentanten aus den Gebieten der Chemie, Festkörperphysik, Materialwissenschaften und LifeScience nach Unkel geladen, um dort zusammen zu erarbeiten, was die hochbrillanten Neutronenquellen leisten können und wie sie in Zukunft dazu beitragen können, die aktuellen Fragen der Wissenschaft anzugehen. Energie, biologische Proben und auch so exotische Sachen, wie Kunst & Kulturgegenstände stehen bei den Wissenschaftler extrem hoch im Kurs und warten nur darauf, mit den richtigen Neutroneninstrumenten im Detail studiert zu werden.

Schließlich waren wir es, die Teilnehmer des HBS-Projektes selber, die den Enthusiasmus der Wissenschaftler bremsen mussten. Ja, natürlich wollen wir so schnell wie möglich loslegen und die nächsten Neutronenquellen in Betrieb nehmen, natürlich wollen wir Instrumente bauen, die es in der Form bislang noch nicht gegeben hat… ABER selbst im optimistischsten Fall, wenn alles klappt, wenn die Finanzierung bewilligt wird, wird es immer noch Jahre dauern, bis die erste Probe eines Users im regulären Betrieb Neutronen sehen wird.
Aber natürlich arbeiten wir daran und können es selber gar nicht erwarten, den nächsten Schritt zu gehen… und dann den nächsten (von dem ich hier natürlich berichten werde), bis wir am Ende in Jülich wieder Neutronen für die Forschung haben werden.

“Wie sieht denn nun genau der Zeitplan aus?” ist nicht nur eine Frage, die wir von den potentiellen Usern am Wochenende oft gestellt bekommen haben, sondern auch dem ein oder anderen Leser wird sie auf der Zunge liegen. Nun ja, leider ist meine Antwort darauf hochgradig spekulativ. In der deutschen Neutronenstrategie wurde die Inbetriebnahme einer großen hochbrillianten Neutronenquelle in Jülich für das Jahr 2030 geplant und auf dem Weg dorthin wollen wir nach Möglichkeit einen Prototypen bauen, der nicht nur als Musterbeispiel für kleine “Universitätsquellen” dienen kann und zur Entwicklung und Erprobung der hochbrillianten Technik gebraucht wird, sondern auch schon in der Lage ist, selber einen Beitrag zu aktuellen wissenschaftlichen Fragestellungen zu liefern.

Ich halte euch hier auf jeden Fall auf dem laufenden und werde die aktuellsten Informationen mit euch teilen, schneller als jede Pressemitteilung. Ohne jetzt die Haut des Wildschweins zu verkaufen, bevor man es erlegt hat, könnte es zumindest in Teilen schon Mitte diesen Monats soweit sein, je nachdem, wie eine gewisse politische Entscheidung ausgeht, auf die wir hier aktuell (nebenbei) warten).

… ist zwar nicht so ganz einfach gefragt, wie ich es hier darstelle, aber allein die Tatsache, dass sowas möglich ist, spricht schon sehr deutlich für das Forschungszentrum und die damit verbundene hervorragende Forschungsinfrastruktur. Ganz konkret wollen wir im JCNS ja eine moderne, hoch brillante Neutronenquelle bauen, die die aktuelle Generation der Forschungsreaktoren ersetzen kann (wie ich ja schon mal öfter hier beschrieben habe). Aber um die einzelnen Komponenten zu testen und zu entwickeln, brauchen wir einen Teilchenbeschleuniger und leider haben wir (noch) keinen eigenen. Doch zum Glück gibt es ja (unter anderem) auf dem Gelände die Kollegen vom IKP, dem Institut für Kernphysik, und die haben den COSY und das Zyklotron “Julic”, das den COSY mit Protonen und Deuteronen versorgt, den ich mir mal kurz ausleihen könnte.

Dabei heißt “Ausleihen” bei einem sauteuren Großgerät, das aus Steuergeldern bezahlt wird und von einem Experten-Team betrieben werden muss, natürlich eines … Proposal schreiben.

Das geht nun folgendermaßen: Zu bestimmten Zeitpunkten kann man sich für Strahlzeit bewerben und einen Vorschlag machen, welche wissenschaftliche Fragestellung man untersuchen will. Dies stellt man dann auf mehreren A4 Seiten möglichst genau dar und beschreibt auch den Experimentaufbau, welche Unterstützung (und welches Material) man von dem IKP benötigt und welche Erfahrungen und Vorarbeiten man bislang schon gemacht hat (denn die Betreiben haben natürlich dafür Sorge zu tragen, dass auch nur machbare und erfolgversprechende Experimente angenommen werden und in den Genuss kostbarer Strahlzeit kommen).

Dann setzt sich eine Expertenkommission aus unabhängigen Wissenschaftlern zusammen und bewertet die vorgeschlagenen und eingereichten Experimente nach Machbarkeit, wissenschaftlichem Nutzen, Risiko etc. pp.. Falls es nun mehr Proposals als Strahlzeit (in der entsprechenden Zeitperiode) gibt (was eigentlich immer der Fall ist), dann wird ein Ranking vorgenommen und manche Proposals werden akzeptiert und andere abgelehnt. Soweit so normal und so (oder so ähnlich) läuft das ganze auch bei anderen Großprojekten ab, wie bei den Supercomputern oder unseren Neutronenstreuinstrumenten am MLZ, ILL und der SNS.

Die Neuerung für mich ist nun, dass bei der entsprechend genehmigten Strahlzeit der gesamte Beschleuniger nur für ein einziges Experiment arbeitet. Während bei uns der Forschungsreaktor einfach während eines Zyklus 24/7 läuft und 30 (je nach Quelle) Instrumente mit den entsprechenden Teilchen versorgt, läuft hier das ganze Ding nur für mich (oder meinen Kollegen *g*) und dementsprechend hoch ist auch die Verantwortung mit der Strahlzeit sinnvoll umzugehen.

Der Betrieb solcher Großgeräte (Teilchenbeschleuniger, Neutronenquellen oder auch Teleskope) ist eine fundamentale Aufgabe der deutschen Forschungszentren und -organisationen, wie zum Beispiel den Max-Planck oder Fraunhofer Instituten oder eben auch den Helmholtz Zentren und damit dem Forschungszentrum Jülich. Denn für den Betrieb braucht es nicht nur die extrem teuren Geräte selber und Expertenteams, die sie bedienen können, sondern eben auch die entsprechende Infrastruktur wie Werkstätten, Gas/Luft-Rückverflüssiger etc. pp. und das ist viel zu viel Aufwand für eine Universität (wo in Deutschland ja der Großteil der Forschung stattfindet), um diese Größe an Logistik bereitzustellen.

2006 wurde in Jülich der Forschungsreaktor FRJ-2 “DIDO” abgeschaltet und rückgebaut, der bis dahin als Neutronenquelle für die Festkörperphysiker, Biologen und Chemiker Neutronen zur Verfügung gestellt hat. Dadurch hatte Jülich ein Großgerät weniger, das es der Forschungslandschaft zur Verfügung stellen konnte. Aber zum Glück ist eines dieser Großgeräte, die noch da sind, der Teilchenbeschleuniger “Julic” bzw. COSY und wenn meine Kollegen und ich unseren Job richtig machen, dann haben wir hoffentlich auch bald wieder ein neues Großgerät hier in Jülich, unsere geliebte HBS-Neutronenquelle.

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.

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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?