60 Jahre Neutronen aus Garching

Die Forschung mit Neutronen in Garching ist eng verbunden mit dem Physiker Heinz Maier-Leibnitz, der zum Wintersemester 1952/53 als Professor von Heidelberg nach München kam. Er war nicht nur ein begnadeter Physiker, sondern auch ein aufopferungsvoller Lehrer; viele seiner Gedanken und Ideen werden bis heute weltweit angewendet. So entwickelte er beispielsweise die Technik der Neutronenleiter oder das Rückstreuspektrometer. Rudolf Mößbauer promovierte 1958 bei ihm und der berühmte Mößbauer-Effekt, der bereits 1961 mit dem Nobelpreis geehrt wurde, ging auf die Ideen von Maier-Leibnitz zurück.

Ab 1956 widmete sich Maier-Leibnitz ganz dem Bau des FRM, dem ersten Forschungsreaktor in Deutschland, der bereits 1957 fertig gestellt wurde und über 43 Jahre als Neutronenquelle für Anwendungen in der Grundlagenforschung und Medizin diente. 10 Jahre später entstand unter seiner Leitung das Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, eine noch stärkere Neutronenquelle und als solche erste echte Serviceeinrichtung für internationale Wissenschaftler auf diesem Gebiet, die bis heute in Betrieb ist. Die Garchinger Quelle und insbesondere die technischen Entwicklungen, die hier stattfanden, haben wesentlich zum anhaltenden Erfolg des ILL beigetragen.

1996 wurde mit dem Bau des FRM II begonnen, weil die Intensität des FRM nicht mehr konkurrenzfähig und eine Aufrüstung technisch nicht sinnvoll war. Im Jahr 2000 wurde der Betrieb des FRM eingestellt. Der FRM II, der seit 2005 Neutronen für Forschung, Industrie und Medizin liefert, ist bis heute eine der modernsten und effektivsten Neutronenquellen der Welt. Er stellt jährlich etwa 1000 Nutzern aus der ganzen Welt einzigartige Messmöglichkeiten zur Verfügung, die durch die eigene Forschung der Kooperationspartner ergänzt wird. Forschungsschwerpunkte sind heute u.a. eine nachhaltige Energieversorgung, Materialien für die zukünftige Informationstechnologie, angewandte Materialforschung und natürlich die von Neugier getriebene Grundlagenforschung, aus der wiederum die Anwendungen von morgen entstehen.

 

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1957 stand das Atom-Ei, nur umgeben von Feldern, als einziges Bauwerk; in den letzten Jahren ist rundherum der größte Forschungscampus in Europa entstanden. Heute steht es unter Denkmalschutz und wird im Innern vorsichtig zurück gebaut um dann eines Tages weitere Instrumente des neuen FRM II zu beherbergen. Der Forschungsreaktor München (FRM) war damals die erste kerntechnische Anlage der jungen Bundesrepublik, in der für die Forschung mit Neutronen bahnbrechende Entdeckungen und Entwicklungen gemacht wurden. Die Entdeckung, dass sich Neutronen wie Licht auch über lange Strecken leiten lassen, war eine davon; die Technik, wie man sie umsetzen kann, ist ebenfalls hier entstanden. Etliche der heute weit verbreiteten Neutroneninstrumente haben ihre Entwicklung dem Garchinger Atom-Ei und den Experimenten, die dadurch möglich wurden, zu verdanken.

Das Atom-Ei wurde im Jahr 2000 abgeschaltet, um die wesentlich stärkere neue Neutronenquelle FRM II in Betrieb zu nehmen.

Die Experimentierhalle des FRM II beinhaltet im Zentrum das Reaktorbecken (rotbraune Wand im Hintergrund) und steht wie alle anderen Hallen voller Instrumente, an denen die Neutronenstrahlen für wissenschaftliche Experimente genutzt werden. Auf der linken Seite sind die Instrumente der weltweit stärksten Positronenquelle zu sehen. Positronen sind die Antiteilchen der negativ geladenen Elektronen und tragen – wie der Name sagt – eine positive Ladung. Positronen können mithilfe von elektrischen und magnetischen Feldern in einem sehr guten Vakuum geleitet werden. Seit ihrer Entdeckung 1932 werden Positronen in zahlreichen Anwendungen als Sonde in der Materialforschung eingesetzt sowie auch in der Medizin bei der Positronen-Emissions-Tomographie. Positronen erkennen mit unübertroffener Empfindlichkeit kleinste Defekte wie atomare Fehlstellen in Materialien. Als Anwendung diente diese Methode beispielsweise Wissenschaftlern die Wanderung von Lithium Ionen innerhalb von Kathoden von Batterien auf atomarer Ebene zu verfolgen. Aktuell entwickeln Physiker aus einem Konsortium der Universität Greifswald, dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik und der TUM an einer „Falle“ für Positronen, um einen hochdichten gepulsten Strahl erzeugen zu können. Dies wiederum wird ganz neue Anwendungsfelder für die Wissenschaft eröffnen.

Diese Aufnahme erlaubt einen Blick in das Innere eines Strahlrohrs für schnelle Neutronen. In diesem Fall gehört es zu einem Instrument, das der direkten Bestrahlung von Patienten mit schweren oberflächlichen Tumorerkrankungen dient. Dank der frühen Behandlungsansätze von Tumoren und den Fortschritten in der Strahlentherapie hat sich die Patientenzahl für diese Art der Behandlung deutlich reduziert. Der energiereiche Neutronenstrahl kann aber auch für andere Untersuchungen genutzt werden. Dazu gehört beispielsweise die Überprüfung der Strahlenresistenz von Zellen in der biologischen Forschung oder auch von elektronischen Bauteilen, die in der Strahlentherapie sowie in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Die Frage nach dem Schutz von Leben auf und außerhalb der Erde lässt sich damit ebenfalls untersuchen. Dieses Strahlrohr versorgt auch noch ein weiteres Instrument mit den schnellen Neutronen. Mit diesem Instrument ist es möglich, Bilder aus dem Innern großer Objekte zu machen. Diese Bilder zeigen oft ergänzende oder gänzlich neue Informationen im Vergleich zu der Untersuchung mit Röntgenstrahlen, Gammastrahlung oder auch mit kalten bis thermischen Neutronen. Schnelle Neutronen dringen tief in die Objekte ein, und sind deshalb besonders gut geeignet für zerstörungsfreie Untersuchungen von großen Objekten aus dichten Materialien. Besonders kontrastreiche Bilder erhält man bei wasserstoffhaltigen Materialien: Beispiele sind etwa Wasserstoffverteilung in Energiespeichern oder die Verteilung von Leim zwischen tragenden Holzkonstruktionen.

Forschung ist immer Teamarbeit und natürlich beschränkt sie sich meist nicht auf das Denken am Schreibtisch. Da ist viel Handarbeit gefragt, wie beispielsweise an diesem Neutronenspektrometer, mit dem verschiedenste Untersuchungen an einer Vielzahl von Proben möglich sind. Das reicht von der Bestimmung großer magnetischer Strukturen und deren Bewegungen, auch unter extremen Umgebungen, z. B. unter hohem Druck, bis zur Bestimmung der atomaren Strukturänderung von dünnen Filmen, beispielsweise in der Polymerphysik. Dieses Messinstrument hat drei bewegliche Hauptachsen und folglich verschiedene Winkel, die aufeinander eingespielt sein müssen. Die erste Achse ist der Monochromator, der die Neutronen nach ihrer Energie filtert; an der zweiten Achse, an der die Neutronen von der zu untersuchenden Probe abgelenkt werden sehen die Wissenschaftler, wo sich die Atome befinden und mit Hilfe der dritten, wie sie sich bewegen. Um das zu realisieren, greifen bis zu 50 Linear- und Drehbewegungen ineinander, die von einem komplexen mathematischen Algorithmus gesteuert werden. Das Gerät ist mit seiner Grundfläche von über 10 Quadratmetern nicht nur sehr groß, es wiegt auch mehrere Tonnen, die präzise Bewegung dieses Gewichts ist also eine technische Herausforderung. Gelöst wird sie durch kleine Luftkissen oder auch Luftlager und einem polierten, glatt geschliffenem Steinboden, dem so genannten Tanzboden, der auf diesem Foto gut zu erkennen ist.

Dieses extrem präzise Spektrometer benutzt kalte, polarisierte Neutronen sowie elektromagnetische Spulen um den Neutronenspin gezielt zu präparieren und so die Fluggeschwindigkeit von Neutronen zu kodieren. Anhand des Interferenzmusters von gestreuten und nicht gestreuten Neutronen lassen sich sehr langsame Bewegungen von Atomen und Molekülen untersuchen. Aktuelle Forschungsthemen befassen sich hierbei mit großen, physiologisch relevanten Molekülen wie Proteine oder Fluktuationen in komplexen magnetischen Systemen. Für diese Methode werden statische und dynamische Magnetfelder unterschiedlicher Stärke und Form benötigt, die die Gestaltung der Spulen bestimmen. Im Vordergrund sind drei identische Spulen zur Erhaltung des Neutronen-Spins zu sehen, welcher aufgrund des Erdmagnetfelds andernfalls depolarisieren würde. Links davon befindet sich eine Spulenanordnung die, ähnlich wie in einem NMR-Spektrometer, den Spin der Neutronen in Resonanz bringen.

Rechts im Hintergrund des Bildes ist die magentafarbene, etwa 20 m lange Detektorröhre eines weiteren Instruments zu sehen, das der Bestimmung von inneren Strukturen im Nanometerbereich (10-9 Meter) dient. Hierbei werden die Neutronenstrahlen nur sehr wenig von den Strukturen abgelenkt, was der Methode den Namen Neutronenkleinwinkelstreuung gegeben hat.

Was machen Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker, wenn es keine Neutronen gibt? Der FRM II hat nur ein einziges Brennelement, das 60 Tage in Betrieb ist und während dieser Zeit einen hohen Neutronenfluss liefert. Danach ist der Brennstoff verbraucht und das Brennelement muss durch ein neues ersetzt werden. Zwischen den Betriebsphasen, in der so genannten Wartungspause, finden eine ganze Reihe vorgeschriebener und wiederkehrender gründlicher Prüfungen statt. Hier ist vor allem die Betriebsmannschaft der Neutronenquelle gefragt, die Wissenschaftler können in dieser Zeit keine Messungen durchführen. An ihren Geräten arbeiten sie trotzdem: sie prüfen, reparieren, modifizieren und verbessern sie, so dass sie den rund 1000 Gastwissenschaftlern pro Jahr und auch ihnen selbst wieder für Experimente uneingeschränkt zur Verfügung stehen. Wichtig sind für die Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker dabei der fachliche Austausch und Diskussionen um die Leistungsfähigkeit der Instrumente ständig zu verbessern.

Die sechs roten Stempel der Hochdruckpresse üben einen Druck auf die winzige Probenkammer aus, der dem 150 000-fachen des Atmosphärendrucks entspricht. Gleichzeitig kann die Probenkammer auf über 2000 °C aufgeheizt werden. Diese extremen Bedingungen sind die gleichen wie sie in einer Tiefe von über 400 km im Erdinneren vorkommen. Um die lastwagengroße und 50 Tonnen schwere Presse und den nur wenige Millimeter großen Probe im Inneren auf den starken Neutronenstrahl ausrichten zu können braucht sie eine Vorrichtung, mit der sie auf hundertstel Millimeter genau positioniert werden kann. Noch ist dieses Instrument nicht ganz aufgebaut, später wird diese weltweit einzigartige Maschine neue Einblicke in die Strukturen und Zustände des tiefen Erdinnern ermöglichen. Sie wird den Wissenschaftlern erlauben, mit Neutronen Feststoffe und Schmelzen unter den extremen Druck- und Temperaturbedingungen zu erforschen wie sie im unteren Erdmantel herrschen. So gewinnen sie ganz neue Erkenntnisse über die Vorgänge des Erdinnern. Untersuchungen bei diesen extremen Drücken und Temperaturen können auch für die Entwicklung von neuen, z.B. superharten Materialien genutzt werden.

Warum gibt es im Universum viel mehr Materie als Antimaterie? Wie kommt es, dass sich Materie und Antimaterie nach dem Urknall nicht wieder vollständig vernichtet haben, sondern ein kleiner Teil Materie übrig blieb, aus dem unser sichtbares Universum aufgebaut ist? Dieses Rätsel beschäftigt Physiker, seitdem überhaupt bekannt ist, dass neben der Materie auch Antimaterie existiert. Antworten soll diese kleine Kammer geben, denn in ihr herrscht das kleinste Magnetfeld des Sonnensystems. So kann dort das vermutete winzige Dipolmoment des Neutrons mit einer viel höheren Genauigkeit als bisher bestimmt werden. Neutronen sind zwar nach außen hin elektrisch neutral, könnten aber im Innern durchaus ein positiv und negativ geladenes „Ende“ haben, was zu einem messbaren Dipolmoment führen sollte. Die Messgenauigkeit ist extrem hoch, wohl die genaueste Messung die je ein Mensch durchgeführt hat. Wäre das winzige Neutron so groß wie die Erde, so entsprächen die Abstände der Ladungen innerhalb des Neutrons dem Durchmesser eines Haars. Diese bislang erreichte Genauigkeit reicht jedoch nicht aus. In der Garchinger Anlage wäre bei diesem Vergleich das Neutron so groß wie die Umlaufbahn des Mondes um die Erde und der Abstand der Ladungen könnte immer noch mit der Präzision eines Haardurchmessers bestimmt werden. Auch ohne Neutronen nützt diese Kammer bereits der Forschung, so haben Biologen beispielsweise damit feststellen können, dass ein fehlendes Magnetfeld die gesunde Entwicklung von Lebewesen entscheidend unterdrücken kann.

Der FRM II hat nur ein einziges Brennelement, den so genannten Kompaktkern, der speziell entwickelt wurde um einen möglichst hohen Neutronenfluss in einem kleinen Volumen zu erzeugen. Dieser Kompaktkern trägt die Bezeichnung zu Recht: verglichen mit dem anderer Neutronenquellen ist er kleiner, enthält aber die gleiche Menge Uran. kann aber dennoch länger eingesetzt werden und liefert 60 Tage Neutronen für Forschung, Industrie und Medizin. Wenn er verbraucht ist, kommt er in das Abklingbecken, in dem noch alle bisher benutzten Brennelemente des FRM II stehen. Das beim Ausbau des Brennelements sichtbar werdende blaue Leuchten ist die Tscherenkow-Strahlung, eine Lichterscheinung, die dadurch entsteht, dass sich die Elektronen im Wasser schneller als das Licht bewegen. Die Intensität des Leuchtens ist ein Hinweis auf die Restmenge der Radioaktivität in einem Brennelement. Das Leuchten entsteht auch in der Natur: Wenn sehr energiereiche kosmische Teilchen auf die Erdatmosphäre treffen, entstehen neue Elementarteilchen, die das Leuchten als Lichtblitz von Milliardstel Sekunden aussenden können.

Auch auf diesem Foto ist beim Ausbau des Brennelements das blaue Tscherenkow-Leuchten im nicht beleuchteten Reaktorbecken zu sehen. Im Becken befinden sich unter Wasser die so genannte heiße und kalte Quelle sowie zahlreiche Bestrahlungsanlagen. Auch der primäre Kühlkreislauf sowie die Abschaltstäbe und der Regelstab sind dort untergebracht. Das Becken ist nach oben zur Reaktorhalle hin offen.

Die sechs dünnen Rohre rechts im Foto gehören zu einer Rohrpostanlage, mit der Materialien zur Bestrahlung ganz nah an das Brennelement transportiert werden können ohne dass sie mit Menschen in Berührung kommen. Die Probe darf maximal 10 cm3 groß sein und wird in Kapseln aus Polyethylen verpackt, die mit Kohlendioxid pneumatisch in die Bestrahlungsposition transportiert werden. Der Transport dauert nur wenige Sekunden; die eigentliche Bestrahlungszeit liegt je nach Probe zwischen 30 Sekunden und 5 Stunden. Einer der häufigsten Nutzer ist die itg GmbH. Sie stellt aus den im FRM II erzeugten Radioisotopen Radiopharmaka für Diagnose und Therapie vieler Krankheiten her. Eine weitere Anwendung für die Rohrpostanlage ist die Neutronenaktivierungsanalyse (NAA), bei der die Elementzusammensetzung einer Probe meist wesentlich empfindlicher als mit einer klassischen chemischen Analyse bestimmt werden kann. So kann die NAA einige Elemente bis zu einer Verdünnung von 1:1 Billion nachweisen.