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GKSS Das GKSS Forschungszentrum betreibt seit 1958 den Forschungsreaktor FRG-1. Im Rahmen laufender Modernisierungen wurde eine kalte Quelle für langwellige Neutronen sowie eine Leiterhalle gebaut, der nukleare Brennstoff von hoch- auf niedrig angereichertes Uran umgestellt und der Neutronenfl uss auf 1,4 ∙ 10 14 n/cm 2 erhöht. Mit 250 Betriebstagen im langjährigen Jahresdurchschnitt bietet der FRG-1 eine besonders hohe Verfügbarkeit. Rund 60 % der Strahlzeit wird externen Nutzern zur Verfügung gestellt. Strahlzeit kann jederzeit beantragt werden, um nach externer Begutachtung einen möglichst schnellen Zugang zu gewährleisten. Instrumente Es werden 10 Instrumente betrieben, von denen etwa die Hälfte für die ingenieurwissenschaftliche Materialforschung optimiert ist. Damit bietet GKSS externen Nutzern komplementär zur Schwerpunktbildung anderer Zentren ein besonders umfassendes und anwendungsnahes Angebot an: • Eigenspannungs- und Texturmessungen an Werkstoffen und Schweißnähten, z. B. für neue Fertigungsverfahren für den Airbus A 380 oder an leichteren Bauteilen aus Mg für den Fahrzeugbau. • Kleinwinkelstreuung, z. B. zur Untersuchung von festigkeitssteigernden Ausscheidungen in Hochleistungsstählen oder neuartigen Leichtbauwerkstoffen für Flugzeugturbinen • Neutronenradiographie und Tomographie, z. B. zur Qualitätssicherung von Teilen der Ariane-V Rakete im Rahmen von Industrieaufträgen. Darüber hinaus stehen Refl ektometer zur Untersuchung von magnetischen und biologischen Nanostrukturen, z. B. von magnetischen Speichermedien mit höherer Speicherdichte oder von biologischen Membranen im Hinblick auf die Wirksamkeit neuartiger Antibiotika, zur Verfügung. Eine zweite Kleinwinkelstreuanlage wird vornehmlich für die Untersuchung weicher Materie, wie z. B. Kolloidgemischen oder Formgedächtnispolymeren für die regenerative Medizin, angeboten. Industrielle Nutzung Aufgrund der Anwendungsnähe seiner Instrumentierung sowie der Eigenforschung bei GKSS hat der FRG-1 einen besonders hohen Anteil industrieller Nutzung und Kollaborationen. Methodenentwicklung GKSS hat wesentliche Beiträge zur Weiterentwicklung von Methoden der Neutronenforschung geleistet. So wurde für die Untersuchung von biologischen Makromolekülen ein neues Verfahren zur Strukturaufklärung mittels Kernspinpolarisation entwickelt, Kleinwinkelstreuung mit polarisierten Neutronen erstmals eingeführt und die heute weltweit in den meisten Kleinwinkelstreuanlagen eingesetzten Geschwindig keitsselektoren zur Neutronenmonochromatisierung entwickelt. Die Zukunft Der Betrieb des FRG-1 ist bis Ende 2009 gesichert. In Vorbereitung auf eine mögliche Abschaltung nach Ende 2009 plant GKSS ein verstärktes Engagement am FRM-II und evtl. am ILL. GKSS wird daher auch im kommenden Jahrzehnt Neutroneninstrumentierung in seinen o. g. Kompetenzfeldern anbieten. Als Nukleus der GKSS-Außenstelle am FRM-II betreibt GKSS bereits das innovative Hochfl ussrefl ektometer REFSANS, das neue Möglichkeiten, u. a. bei der Untersuchung von Flüssigkeitsgrenzfl ächen, eröffnet. FZJ Seit 1962 betreibt das Forschungszentrum Jülich den Forschungsreaktor FRJ-2, der mit einer Flussdichte von 2,9 ∙ 10 14 n/cm 2 s nach dem FRM-II die leistungsfähigste deutsche Neutronenquelle ist. In der Reaktorhalle und einer externen Leiterhalle für kalte Neutronen befi nden sich insgesamt 17 Strahlexperimente, die das ganze Spektrum von Streuinstrumenten abdecken, von der Diffraktion über Kleinwinkelstreuung und Spektroskopie bis hin zu höchstauflösenden Spinecho- oder Rückstreuinstrumenten. Alle Instrumente stehen externen Nutzern über ein Antragsverfahren zur Verfügung. Etwa 60 % der Experimente werden durch externe Nutzergruppen durchgeführt, der Rest dient der Eigenforschung. Methodenentwicklung Traditionell liegt eine große Stärke des Jülicher Zentrums bei der Methodenentwicklung. Viele Instrumente, die heute zum Standardrepertoire an modernen Quellen gehören, wurden erstmalig in Jülich realisiert, so etwa die erste Neutronenkleinwinkelstreuanlage, ein dediziertes Instrument zur Messung diffuser Neutronenstreuung oder – nachdem das Prinzip am FRM-I gezeigt wurde – ein Rückstreuspektrometer. Neuere Entwicklungen betreffen die erste Kleinwinkelanlage mit fokussierender Optik, Refl ektometrie mit Polarisationsanalyse für offspekuläre Streuung, vektorielle Polarisationsanalyse für Flugzeitinstrumente, Phasenraumtransformation etc. In Jülich gebaute Komponenten, wie Szintillationsdetektoren oder schnell drehende magnetgelagerte Chopper, haben weltweite Verbreitung gefunden. Schließlich ebneten Jülicher Arbeiten den Weg zu den MW-Spallationsquellen, indem hier wesentliche Fortschritte, etwa beim Targetdesign, erzielt wurden. Wissenschaftliche Schwerpunkte Die wissenschaftliche Kompetenz der Neutronenstreugruppen in Jülich liegt einerseits auf dem Gebiet der weichen Materie, mit einem Schwerpunkt bei der Polymerphysik, andererseits im Bereich des Magnetismus mit Schwerpunkten im Nanomagnetismus und bei korrelierten Elektronensystemen. Die Neutronenstreuung ist eine tragende Säule im Methodenspektrum des Departments „Institut für Festkörperforschung“. Beide Forschungsschwerpunkte sind eingebettet in das HGF- Programm „Kondensierte Materie“. Die Zukunft Der Forschungsreaktor FRJ-2 soll im Mai 2006 stillgelegt und anschließend rückgebaut werden. Wegen der grundlegenden Bedeutung der Streumethoden in der Forschung kondensierter Materie beabsichtigt das Forschungszentrum Jülich, die Neutronenstreuung zu stärken und die in Jülich vorhandene methodische Kompetenz an anderen Quellen einfl ießen zu lassen. Zu diesem Zweck wird das „Jülich Centre for Neutron Science“ gegründet, mit Außenstellen am FRM-II, am ILL und an der SNS. In Garching ist der Betrieb von sieben Streuinstrumenten mit entsprechender Infrastruktur geplant. Die Jülicher Instrumente ergänzen die Instrumentierung am FRM-II optimal, indem sie Lücken schließen im Bereich der Kleinwinkelstreuung, der höchstaufl ösenden Spektroskopie und der Polarisationsanalyse. Auch in Garching wird das FZJ sein bewährtes Konzept fortführen und über die Bereitstellung von Strahlzeit an den Neutroneninstrumenten hinaus Fachwissen und spezialisierte Laboreinrichtungen in den Kompetenzfeldern des Instituts für Festkörperforschung anbieten. An der SNS wird das FZJ ein Spinecho-Spektrometer der nächsten Generation mit bisher unerreichten Werten bzgl. Auflösung und dynamischem Bereich bauen. Durch diese Investition in die dortige Infrastruktur werden deutsche Nutzer zumindest in beschränktem Rahmen über das FZJ einen Zugang zu dieser Quelle der nächsten Generation erhalten. 74 GKSS / FZJ 75
FRM-II Der FRM-II hat ein einziges zylinderförmiges Brennelement mit ca. 8 kg hochangereichertem Uran und gestaffelter Urandichte von 1,5 – 3 g/cm 3 . Mit 20 MW thermischer Leistung und einem ungestörten Fluss thermischer Neutronen von 8 ∙ 10 14 n/cm 2 s bietet er das weltweit beste Verhältnis von thermischer Leistung zu Neutronenfl uss. Die Kühlung des Brennelements erfolgt durch H 2 O, die Moderation durch einen D 2 O Moderator. Ein Brennelementzyklus beträgt 52 Tage, max. fünf Zyklen pro Jahr = 260 Tage können betrieben werden. Die untermoderierte Kalte D 2 O-Quelle, die 2000 °C warme Heiße Quelle und eine Konverteranlage für unmoderierte schnelle Neutronen verschieben das thermische Wellenlängenspektrum ins Optimum der gewünschten Nutzung. 10 horizontale und 2 schräge Strahlrohre ermöglichen den Austritt der Neutronen zu den Experimentiereinrichtungen. Aus einem der schrägen Strahlrohre wird mittels intensiver Gammastrahlung und spontaner Paarbildung ein intensiver thermischer Positronenstrahl mit einem Fluss von 10 8 - 10 9 p/cm 2 s extrahiert. Die Instrumente sind in der Experimentierhalle rund um den Reaktorkern und in einer Halle mit Neutronenleitern für kalte Neutronen untergebracht. Breites Spektrum Die Strahlrohrinstrumente des FRM-II werden von externen Expertengruppen betrieben, wobei 2/3 der Strahlzeit durch ein unabhängiges Gutachtergremium an allgemeine Nutzer vergeben werden. Für die Probenumgebung stehen Kryostaten und Öfen für Temperaturen zwischen 50 mK und 2000 °C und Magnetfelder bis zu 14,5 Tesla zur Verfügung. Druckapparaturen sind im Aufbau. Die Nutzung polarisierter Neutronen wird durch HELIOS, einer leistungsfähigen Anlage zur Polarisation von 3 He für annähernd alle Instrumente ermöglicht. Ein industrielles Anwenderzentrum innerhalb des FRM-II-Geländes fördert die industrielle Nutzung des FRM-II, es werden sowohl Büro- als auch Laborflächen zum Umgang mit Radioaktiva zur Verfügung gestellt. Zukunft Das Forschungszentrum Jülich wird zum Mai 2006 seine Neutronenquelle schließen, seine leistungsfähigsten Neutronenstreuinstrumente zum FRM-II transferieren und sich mit einer Außenstelle am Nutzerbetrieb des FRM-II beteiligen. Mit der später vorgesehenen Schließung der Geesthachter Neutronenquelle wird ebenfalls die GKSS den Nutzerbetrieb durch weitere Instrumente zur Materialforschung unterstützen. Bis Ende 2006 wird hierzu an der Ostseite des FRM-II eine weitere Neutronenleiterhalle in Kombination mit Büround Laborräumen errichtet. ILL Das Institut Laue-Langevin wurde 1967 gegründet; sein 57 MW-Reaktor, der 1971 kritisch wurde, liefert mit ca. 1,5 ∙ 10 15 n/cm -2 s -1 den weltweit höchsten Fluss thermischer Neutronen. Eine heiße Quelle, zwei kalte Quellen mit 12 Neutronenleitern sowie ultrakalte Neutronen erweitern das Spektrum zu hohen und niedrigen Energien hin deutlich. Die Erneuerung des Reaktortanks in den 90er Jahren und die gegenwärtigen umfassenden Maßnahmen zur Erhöhung der Sicherheit (REFIT-Programm bis 2006), insbesondere der Erdbebensicherheit, versprechen eine hohe Zuverlässigkeit des Reaktors für die kommenden Jahre. Breites Spektrum Für die Versorgung mit Neutronen ist ein ausgeklügeltes System von Neutronenleitern, die Instrumente in zwei großen Neutronenleiterhallen bedienen, von zentraler Bedeutung. Derzeit stehen insgesamt 25 vom ILL betriebene „öffentliche“ Instrumente zur Verfügung, demnächst möglicherweise 30. Die Nutzung ist über ein Proposalsystem geregelt. Zirka 750 Nutzerexperimente werden in den 4½ 50-tägigen Reaktorzyklen pro Jahr durchgeführt (bis Ende 2006 ausnahmsweise nur 3 Zyklen). Zusätzlich zu den 25 öffentlichen Instrumenten stehen 11 von externen Forschergruppen betriebene Instrumente zur Verfügung. Eine breit angelegte Modernisierung von Instrumenten und Neutronenleitern - das im Jahr 2000 gestartete Millenniumprogramm - führt bereits heute zu einem mittleren Intensitätsgewinn von einem Faktor 5; ein Faktor 15 wird angestrebt. Dabei sind auch andere Qualitäten wie Auflösung, dynamischer Bereich, Polarisation und Zuverlässigkeit Gegenstand der Verbesserungen. Über 10 Millenniumsprojekte sind bereits zum Vorteil der Nutzer erfolgreich abgeschlossen. Damit dürfte sich die Attraktivität der Einrichtungen des ILL auch in Zukunft weiter steigern. Wesentliche Basis für diese moderne Instrumentierung sind ILL-eigene Entwicklungen auf dem Gebiet der Detektoren, Monochromatoren, Neutronenpolarisation, Probenumgebung und Instrumentesteuerung. Auf vielen dieser Gebiete hat das ILL eine führende Rolle erworben. Die Wissenschaftsdisziplinen am ILL umfassen die Festkörperund Materialforschung, Biologie und weiche Materie, Chemie und Ingenieurswesen, Kern- und Teilchenphysik. Auf allen Gebieten liefert das ILL Beiträge von Weltklasse, die auch für die Forschung mit Neutronen in Deutschland nicht wegzudenken sind. Das ILL wird getragen von drei Gesellschafterländern - von Frankreich, dem Vereinigten Königreich und Deutschland - von denen der Hauptanteil der Finanzierung erbracht wird. Sieben sogenannte „wissenschaftliche Partner“ ergänzen das internationale Spektrum der Partnerländer, dessen Erweiterung derzeit aktiv betrieben wird. Zukunft Gegenwärtig läuft der ILL-Vertrag bis zum Jahr 2014. Der internationale Erfolg des ILL, die steigende Nachfrage nach Neutronen am ILL und die vielen Erneuerungsmaßnahmen sollten der Garant einer Verlängerung um weitere 10 Jahre sein. Gemeinsam mit ESRF und EMBL ist der Ausbau des gemeinsamen Geländes zu einem großen multidisziplinären Campus geplant. Den Nutzern wird mit der „Partnership for Structural Biology“ und der „Facility for Materials Engineering“ neuartige Unterstützung gegeben. Von einem Flugzeitinstrument mit viel größerem Detektor bis hin zur zeitaufgelösten Neutronentomographie sind neue Instrumente im Bau. Kürzlich wurde eine neue Dreidimensionale Polarisationsanalyse für inelastische thermische Instrumente erfolgreich getestet. Diskutiert wird eine generelle Verstärkung der Aktivitäten des ILL auf dem Gebiet der kalten und ultrakalten Neutronen. 76 FRM-II / ILL 77
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Seite 3 und 4: Vorbemerkung Das Komitee für die F
Seite 5 und 6: Roadmap Das Komitee für die Forsch
Seite 7 und 8: Wissenschaftliches Potential der Fo
Seite 9 und 10: Magnetisches Dipolmoment Das Neutro
Seite 11 und 12: Komplexität Die Strategie der Natu
Seite 13 und 14: Mögliche zukünftige Anwendungen:
Seite 15 und 16: Polymerdynamik in der Schmelze Im z
Seite 17 und 18: a b Neutronenforschung an komplexen
Seite 19 und 20: Cu-O-Ebenen zu verstehen, die wiede
Seite 21 und 22: Eingeschränkte Dimensionalität Di
Seite 23 und 24: Blick in das Innere von Nanoröhren
Seite 25 und 26: Ausstrahlung der Forschung mit Neut
Seite 27 und 28: Mobilität Personen- und Güterverk
Seite 29 und 30: Erfolgschancen der Neutronentherapi
Seite 31 und 32: Stellung in der internationalen For
Seite 33 und 34: Nutzergemeinde, Zugang zu den Neutr
Seite 35 und 36: • Proposals für Experimente in J
Seite 37: Andere europäische Zentren 358 Mit
Seite 41 und 42: Gößere Detektorfläche Mit großf
Seite 43 und 44: Phasenraum: Volumen und Transformat
Seite 45 und 46: SNS In den Vereinigten Staaten wird
Seite 47 und 48: Ergebnisse der Nutzerumfrage Um ein

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