JAIME steht für „Jülich Accelerator for In-situ Material Experiments“ und ist ein Projekt mehrerer Jülicher Institute, einen Teilchenbeschleuniger für die Materialforschung  mit geladenen Teilchen (H, D, He, Li und N) und Neutronen aufzubauen und zu betreiben. Dazu haben sich mehrere Jülicher Institute, die sowieso schon einen starken Schwerpunkt und entsprechende Kompetenzen in der Materialforschung haben, zusammen geschlossen. Ganz konkret sind das IKE-1, IEK-2, IEK-4, PGI-4, PGI-9 und das JCNS, das Jülich Centre for Neutron Science, dem ich angehöre.

Dadurch, dass so viele Institute zusammen arbeiten, entstehen viele Synergien und es können Ressourcen genutzt werden, die sonst viel Geld kosten würden. Zum Beispiel betreiben mehrere der Institute bereits jetzt einen kleineren Tandem-Beschleuniger, so dass die Fähigkeiten und Ausbildungen (z.B. im Strahlenschutz) bereits vorhanden sind. Dazu steuert das IEK-4 die alte, aktuell leerstehende, Textor-Halle (des alten Tokamak-Fusionsreaktorprototypen) bei, die nicht nur über entsprechend viel Platz, sondern auch über eine gute Stromversorgung verfügt und (am wichtigsten) noch ein radioaktiver Kontrollbereich ist, so dass mit minimalstem Aufwand direkt mit ionisierender Strahlung gearbeitet werden kann.

Einen Teilchenbeschleuniger haben wir uns auch bereits ausgeguckt. Es soll ein Tandembeschleuniger mit 16 MeV (P und D) werden, der mit einer geeigneten Quelle auch im gepulsten Modus betrieben werden kann und nicht, wie für einen Tandem üblich, in kontinuierlichem Modus. Aktuell kann ich noch nicht viel über die Projekte der anderen Institute sagen, da ich mich mit den Themen “Fusionsforschung”, “Plasmaphysik” und „Nano- Halbleitertechnik“ nicht wirklich gut auskenne. Aber das Ganze wird sich spätestens am 26.Oktober ändern. Da haben wir den ersten JAIME-Workshop, wo die ganzen teilnehmenden Institute zusammen kommen und ihre jeweiligen Spezialgebieten den anderen vorstellen. Ion Beam Analysis“ steht genauso auf dem Plan, wie Solid State Batteries und unsere ganzen geplanten Neutronenanwendungen. Spätestens über die letzteren kann ich jetzt schon mal an dieser Stelle berichten.

Derzeit betreibt das JCNS sehr gute Neutroneninstrumente an den besten Quellen weltweit… aber halt leider nicht in Jülich, weil es hier keine Neutronen mehr gibt. Das heißt, dass wir auch für alle Detektorentests, Weiterentwicklungen von Instrumenten, Ausbildung von Doktoranden und normalen, durchschnittlichen Messungen nach Garching bei München oder nach Grenoble in Frankreich oder OakRidge in den USA fahren müssen. Um langfristig eine große Neutronenquelle hier nach Jülich zu bekommen, haben wir das HBS-Projekt ins Leben gerufen, von dem ich hier schon oft erzählt habe. Aber das ganze hat auch einen Zwischenschritt, die NOVA ERA (Neurons Obtained Via Accelerator for Education and Research Analysis). Dies soll eine Neutronenquelle sein, die so kompakt ist, dass sie auch an einer Universität betrieben werden kann. Also etwas, dass wir innerhalb des JAIME-Projektes realisieren können.

Hier ist schon mal eine grobe Skizze des Aufbaus zu sehen. Auf der linken Seite werden die Strahlen der geladenen Teilchen auf die einzelnen Experimente aufgeteilt, die sich eben mit Ionen beschäftigen und auf der rechten Seite steht das Target, in dem die Neutronen für die Neutronenstreuexperimente produziert werden. Da man Neutronen nicht wirklich ablenken kann, müssen dann auf der rechten Seite alle Neutroneninstrumente mehr oder weniger in direkter Sichtlinie zu dem neutronenproduzierenden Target positioniert werden. Dabei wollen wir die neue Möglichkeit dieser Art von Neutronenquellen ausnutzen und die Beamlines in allen drei Dimensionen (also auch nach oben und unten) um das Target herum positionieren und nicht, wie aktuell üblich, nur in der Horizontalen.

Aktuell planen wir mit 5-6 Instrumenten, die zum Standardrepertoire einer Neutronenquelle gehören. Beim Imaging werden Bilder mithilfe eines Durchleuchtungsverfahrens aufgenommen – so wie mit Röntgen am Flughafen, nur mit dem Unterschied, dass Neutronen durch Blei hindurchgehen wie ein heißes Messer durch Butter und man vor allem Energiematerialien der Zukunft, wie Lithium oder Wasserstoff hervorragend sehen kann. Mit der prompten Gamma-Analyse können Materialien auf ihre chemische Zusammensetzung hin untersucht werden und mit der Pulver-Diffraktometrie erhalten wir Informationen über die Kristallstruktur unserer Probe. Mit dem Reflektometer und dem Small Angle Scattering schließlich erhalten wir wichtige Informationen über Nanomaterialien, dünne Schichten und biologische Systeme komplementär zu denselben Techniken mit Röntgenstrahlen, die wir zur Zeit schon hier in unserem Institut durchführen.

Also ich hoffe, nach dem Workshop noch wesentlich mehr berichten zu können und wenn bis dahin irgendwelche Fragen bestehen, freue ich mich natürlich immer über Kommentare und Anregungen unter dem Artikel.


 

PS: Folien aus dem Beitrag von Johannes Baggemann zu unserem Unkel Workshop letzte Woche, von dem ich auch schon berichtet hatte.

PPS: Mehr Informationen gibt es dazu im aktuellen Newsletter des FZ, der heute erschienen ist.

Ab dem dritten Mal wird es eine gut etablierte Tradition, sagt man. In dem Sinne angewendet treffen sich traditionell alle europäischen Partner, die CANS (Kompakte Beschleuniger-getriebene Neutronenquellen) entwickeln und bauen wollen, mit ausgewählten internationalen Partnern in dem kleinen beschaulichen Dörfchen Unkel am Rhein bei Bonn, um sich gegenseitig auf den neuesten Stand zu bringen und die nächsten koordinierten Schritte zu planen. Wie die letzten beiden Male war ich diesmal auch wieder mittendrin und werde die Gelegenheit nutzen, davon zu berichten.

Also, was gibt es Neues? “Die Ungarn” haben ein Wirtschaftsförderprogramm zugesprochen bekommen und werden für ca. 4M€ eine CANS in Budapest bauen. Das Grundstück ist gekauft, das Gebäude vom Architekten geplant und die Ausschreibung für den Teilchenbeschleuniger läuft. Laut Plan soll die Quelle bis Ende 2020 stehen und dann primär für Tests von kommerziellen Neutronenleitern genutzt werden. Das ganze ist nämlich ein Wirtschafts- und keine Wissenschaftsprojekt. Derzeit werden Neutronenleiter an den großen Reaktorquellen getestet, was ca. 10-15k€ pro Tag kostet. Wenn man nun das ganze an eine eigene Quelle auslagern würde, dann spart man ca. 100k€ pro Monat, so dass sich die Quelle in weniger als 10 Jahren rentiert hat… aus Wirtschaftssicht eine gute Investition.

A propos gute Investition: “Die Franzosen” haben aus mehreren verschiedenen Projekten ein wissenschaftliches Budget eingeworben, was nun die Startfinanzierung des SONATE-Projektes darstellt. SONATE soll ihren Dienst als Prototyp mit reduzierter Leistung bis 2020 aufnehmen, um dann einigen ausgewählten Anwendungen einen direkten Übergang nach dem Abschalten des Pariser Forschungsreaktors Orphé zu gewährleisten. Je nachdem, ob in diesem Zeitraum dann die entsprechenden Gelder für den weiteren Ausbau aufgetrieben werden können, würde dann der Teilchenbeschleuniger IPHI ausgebaut werden und in eine neues Gebäude umziehen (müssen), in dem dann genug Platz ist, um mehrere Targetstationen und Instrumente aufzubauen.

Gruppenphoto des 3. CANS Workshop

Gruppenphoto des 3. CANS Workshop

“Die Deutschen” waren auch nicht untätig, haben wahrscheinlich die Partikelfrage geklärt und schon mal einen kalten Moderator gebaut und in Betrieb genommen. Was finanzielle Unterstützung angeht, haben wir leider noch nichts Nennenswertes vorzuweisen, außer hier und da ein paar neue Stellen und Mitarbeiter. Aber es gibt das JAIME-Projekt mit dem auch Deutschland eine nennenswerte Chance hätte, noch in 2020 eine eigene CANS zu bekommen. Doch davon werde ich auch auf jeden Fall noch mal in einem eigenen Artikel berichten.

Die Spanier, Schweizer und Dänen hatten auch kleine Fortschritte zu berichten und die Japaner, die wir ja gerade erst besucht hatten, haben ebenfalls eine neue kalte Quelle in Betrieb genommen. Es geht also voran.

Was nicht geklappt hat, war unser gemeinsames EU-Projekt CANS4EU, welches nicht unter den Top10-EU-Kooperationsprojekten gelandet ist und damit erst mal nicht mit EU-Geldern gefördert wird. Das ist schade, aber eine Chance gibt es noch. Wegen des großes Zuspruches zu dem Projekt (mehr als 40 Bewerbungen) wird derzeit überlegt, den Finanzrahmen auszubauen (zu verdoppeln) und dann noch die nächsten 10 Projekte auf der Liste ebenfalls zu fördern. Da wären wir auch mit dabei und das entsprechende Budget wäre sicher hochwillkommen. Währenddessen haben wir beschlossen auf welche weiteren Projekte wir uns gemeinsam (mit 7+ europäischen Teilnehmern) bewerben wollen, so dass es bald wieder heißt: Anträge schreiben (Urgs).

Tja, also erst mal nichts wirklich Weltbewegendes und keine richtig großen Ankündigungen, aber weitere wichtige Schritte in die Zukunft der Neutronennutzung in Europa. In den letzten beiden Jahren haben wir den Wagen ins Rollen bekommen und dieses Jahr freudig feststellen können, dass er ordentlich Geschwindigkeit und Schwung aufnimmt. Ich freue mich sehr, an vorderster Front mit dabei sein zu können, auf dem Kutschbock sozusagen, und werde mein Möglichstes tun, um auch weiter live von der Fahrt zu berichten.

Vor zwei Jahren hatte ich ja ein ziemlich düsteres Bild der europäischen Neutronenlandschaft gezeichnet und es mit der bröckelnden Neutronenpyramide bebildert, aus deren Innenraum ein finsterer böser alter Gott hervorgekrochen kommt. Nun finde ich, ist es Zeit mal ein wenig positiver in die Zukunft zu schauen und auch dafür hat der gute Jacob Müller mal wieder tief in die Trickkiste gegriffen, den Griffel gespitzt und ein Stück Kunst aufs digitale Papier gebracht. Diesmal ist es ein Wimmelbild geworden, vor dem auch der langjährige Neutronenphysiker ein paar Minuten sitzen und immer wieder neue kleine Details entdecken kann.

Diese Neutronenpyramide steht ein paar Jahre in der Zukunft, was man daran erkennen kann, dass die Europäische Spallationsquelle, die ESS, der große Leuchtturm der Neutronenforschung, die leistungsstärkste Quelle der Welt, ihren Betrieb schon aufgenommen hat. Also muss es irgendwo im Jahre 2025-2030 spielen. Wie vorher angekündigt, wurden die Forschungsreaktoren in Berlin und Paris (LLB Saclay) abgeschaltet und stehen nicht länger zur Verfügung, damit internationale Forscher mit ihrer Hilfe forschen könnten. Aber anders als zuvor befürchtet wurde die entstehende Lücke mit Säulen und Stützstreben gefüllt, die die Namen der neuen hochbrillianten CANS Neutronenquellen tragen. Der Verlust der Basis, der Arbeitstiere, der Mittelflussreaktoren aus den 60er und 70er Jahren wurde von einer neuen Art Neutronenquelle auf Basis von Teilchenbeschleunigern kompensiert. Außerdem wurde zeitgleich der nächste Schritt auf der Evolutionsleiter gegangen und die ägyptische Architektur der Pharaonen hat Elemente erhalten, die schon eher an die griechische Antike erinnern und den Weg für neue Gebäudeformen eröffnen.

Die Namen stehen dabei für die aktuellen Projekte von Frankreich (SONATE), Spanien(HBS Bilbao) und Deutschland (HBS Jülich), aber das ist nur der aktuelle Stand. Eigentlich versuchen wir noch viel mehr Länder und Organisationen davon zu überzeugen, den Schritt zu den Neutronenquellen der Zukunft zu gehen und es gibt bereits mehr als eine erfolgsversprechende Idee (z.B. in Italien und Ungarn).

Aber jetzt möchte ich euch nicht weiter mit den politischen Plänen in der europäischen Neutronenlandschaft langweilen, sondern ein wenig das tolle Bild von Jacob erkunden lassen, auf dem so einige Details für den aufmerksamen Beobachter versteckt sind. Denn frei nach dem Motto aktuelle Themen der Wissenschaft anders zu kommunizieren als in staubtrockenen Papern hinter Journal-Paywalls, haben wir hier mal mindestens eine Neutronenquelle der nächsten Generation grafisch untergebracht. Ich will jetzt auch nicht zu viel verraten, aber in Ägypten gab es offensichtlich schon Teilchenbeschleuniger, Neutronentargets und kalte Quellen für die Kristallographie…

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Ich bemühe mich ja immer mal wieder, unorthodox zu kommunizieren und die Neutronenpyramide ist eine der Möglichkeiten dies zu machen. Dieses Blog ist eine weitere und danach gibt es noch Science Slams und ähnliche Veranstaltungen. Ich freue mich in einer Zeit zu leben, wo so eine Art der Wissenschaftskommunikation möglich ist und es betrübt mich in einer Zeit zu leben, wo so eine Kommunikation noch wichtiger und noch notwendiger geworden ist, als sie es normalerweise schon wäre. In einer Zeit der alternativen Fakten, wo es wichtiger ist, wie viele Leute zu der politischen Veranstaltung kommen, als eine wilde Behauptung aus dem Internet vernünftig zu hinterfragen und zu belegen.

Naja, falls ich mich vor wilden Verschwörungstheorien hätte retten wollen, dann hätten wir uns wahrscheinlich ein anderes Motiv als eine Pyramide aussuchen sollen. Zumindest haben wir kein Auge ins Zentrum gesetzt… also neben den Stein, auf dem ISIS (also die englische Spallationsquelle) steht. Ähem, also erst mal viel Spaß mit der zweiten Pyramide und sobald wir uns wieder das nächste visuelle Projekt ausdenken (und davon wird es bestimmt noch einige geben) dann werde ich euch natürlich wieder hier live (mehr oder weniger) davon berichten.

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.

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.


Der CARR-Forschungsreaktor in Peking

... und Maunzen vor dem Mausoleum.

… und Maunzen vor dem Mausoleum.

“China will die Atomkraft als neue grüne Energiequelle massiv ausbauen, um auf Kohle verzichten und gleichzeitig den extrem steigenden Energiebedarf des Landes decken zu können” ist eine der Hauptaussagen, die man so hört, wenn es um das Reich der Mitte und die Zukunft der Kerntechnik geht. Ich habe auch weiterhin nichts mit Kernenergie zu tun, bin dafür aber vor kurzem in China gewesen und habe den Forschungsreaktor CARR (Chinese Advanced Research Reactor) in Peking besuchen dürfen, der keinen Strom produziert, sondern als Neutronenquelle für Streuexperimente dient und hoffentlich bald seinen regulären Dienst aufnehmen kann.

Dabei war eine der ersten Aussagen beim Abendessen mit dem wissenschaftlichen Leiter in familiärer Atmosphäre: “Der Hauptgrund, warum der Forschungsreaktor bisher nur im Testbetrieb gelaufen ist, liegt hauptsächlich an der drastischen Verschärfung der Sicherheitsanforderungen nach der Katastrophe von Fukushima. Danach wurde die Leitung des Reaktors von der Atomenergiebehörde zur Umweltbehörde transferiert, die eine komplette Überprüfung und Verschärfung der Strahlenschutzanforderungen angesetzt hat, die es bis zum heutigen Tage nicht möglich macht in den Dauerbetrieb über zu gehen.”

Das war auf jeden Fall keine Aussage, die man als Mitteleuropäer erwartet hätte, wenn einem noch das chinesische Image von „Fortschritt um jeden Preis“ im Kopf herumspukt. Aber offenbar sind die Chinesen ernsthaft bereit, aus unseren Fehlern der 70er-Jahre zu lernen und eben nicht mal auf Teufel komm raus eine Anlage nach der anderen in Betrieb zu nehmen.

In Ermangelung von schönen Bildern des Reaktors hier ein Suchbild, auf dem eine Mauer und eine Katze versteckt sind.

In Ermangelung von schönen Bildern aus dem Inneren des Reaktors hier ein Suchbild, auf dem eine Mauer und eine Katze versteckt sind.

Beim Besuch des Reaktors selber haben wir dann unsere ehemaligen Instrumente besichtigt, die Jülich nach der Schließung des Forschungsreaktors DIDO vor 10 Jahren nach Peking (eben an den CARR-Reaktor) gegeben hat, damit sie dort weiter benutzt werden können und der Forschung weiterhin zur Verfügung stehen (anstatt bei uns im Keller einfach nur Staub anzusetzen). Die Instrumente, die damals nach China gegangen sind, waren unter anderem ein thermischer Dreiachser und ein Pulverdiffraktometer, kurz Standardinstrumente der Neutronenstreuung, über die ich vielleicht in Zukunft hier noch mal genauer berichten kann.

Es dauert generell ca. zwei Jahre, bis ein Neutroneninstrument vernünftig aufgebaut, in Betrieb genommen und kalibriert worden ist. Diese Zeit verlängert sich deutlich, je weniger Neutronen zur Verfügung stehen, mit denen man die Kalibrierung betrieben kann. Trotz des notorischen Neutronenmangels (letztes Jahr waren es insgesamt nur 40 Betriebsstunden) sind allerdings fast alle Geräte einsatzbereit und teilweise sind sogar schon Publikationen über die ersten Tests bei Inbetriebnahme geschrieben worden… mein Respekt an dieser Stelle. Die chinesische Neutronencommunity wächst auch gerade kräftig und knapp über hundert Wissenschaftler (vorwiegend aus der Festkörperphysik, Chemie und Biologie) stehen in den Startlöchern, um die chinesischen Neutronenquellen (den eben beschrieben CARR-Forschungsreaktor und die neue Spallationsquelle nahe Shanghai) als User zu nutzen, sobald diese die Türen für den regulären Betrieb öffnen. Teil des damaligen Deals mit unseren alten Instrumenten war auch, dass wir eine gewissen Dauer an fester Messzeit an diesen Instrumenten bekommen, sobald diese ihren Betrieb aufnehmen, so dass sich nicht nur die Chinesen auf die Inbetriebnahme freuen dürfen.

Neben Peking waren wir auch noch in Xian (in Zentralchina), wo in naher Zukunft eine kleine Neutronenquelle auf Beschleunigerbasis nach Vorbild der RIKEN-Quelle aus Japan (also 15 Meter lang und nur 2 Meter breit) gebaut werden soll. Diese kleinen kompakten Quellen – die wir ja auch hier in Jülich bauen wolen – sind ja mein eigentliches Forschungsgebiet, aber darüber werdeich wohl auch noch mal in einem eigenständigen Artikel berichten müssen.

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.”