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MLZ is a cooperation between:
Neutronen – wozu?
VDI-TUM Expertentreffen
am 15. September 2016
Prof. Dr. Winfried Petry
Wissenschaftlicher Direktor FRM II, MLZ
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Industrielle Nutzung wofür?
Grundlagenforschung für direkte industrielle Fragestellung
Materialentwicklung
Werkstoffprüfung
Produktentwicklung
Zerstörungsfreie Charakterisierung auf kleinstem Raum an großem
Objekt
In-situ (Druck, Temperatur, Magnetfeld, … unter Funktionsbedingungen)
Direkte Produktion
Keine/kaum Serienkontrolle
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Beispiele industrieller und medizinischer Nutzung
Industrielle Nutzung
Silizium-Dotierung (12 -15 t pro Jahr)
Erzeugung von intensiven -Quellen, z.B. Co-60, oder Radiotracern, z.B. für
Verschleißmessungen
Radiographie und Tomographie (Durchleuchtung massiver Materie)
Strahlenresistenz von elektronischen Komponenten, z.B. Nutzung im Weltraum
Elementanalyse durch NAA & PGAA, bis in ppb-Bereich, z.B. präzise H-Bestimmung
Beugungsexperimente an externen n-Strahlen
Medizinische Nutzung
Radioisotope für die Nuklearmedizin, Therapie und Diagnose, z.B. Lu-177, Re-188
Ab 2017 weltweit wesentlicher Lieferant für Mo-99/Tc-99m
Hadronentherapie, direkte Bestrahlung von oberflächennahen Tumoren mit schnellen
Neutronen
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Zugang zum FRM II publish or pay (Strahlrohrinstrumente)
Kostenfreier Zugang bei Veröffentlichung der Ergebnisse.
Procedere: Einreichung eines Messvorschlags mit zweiseitiger Beschreibung, 2 x
pro Jahr Begutachtung der Messvorschläge durch internationales
Expertengremium, Überbuchung normalerweise mit Faktor 2, Zeitdauer zwischen
Antrag und Messung bis zu einem Jahr.
Aber: kurze Testmessungen in Absprache mit dem Instrumentverantwortlichen
kurzfristig möglich.
Bei Bezahlung der Strahlzeit zeitlich privilegierter Zugang. Dienstleistung
(Messung und Auswertung) mit Eigentumsschutz für Ergebnisse
(Geheimhaltung).
Alle Bestrahlungsdienste (Materialtests, Dotieren) kostenpflichtig.
Strahlrohrexperimente Heinz Maier-Leibnitz Zentrum
(www.mlz-garching.de)
Bestrahlungsdienste Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz
(www.frm2.tum.de)
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Beugung
Interferenz
Bragg Gleichung
n = 2d sin
Neutronen sind Welle
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Schlüsseltechnologien & Energie
Supraleitung: kurze Historie
0
50
100
150
1900 1920 1940 1960 1980 2000
Hg Pb
NbN Nb3Sn Nb3Ge
MgB2
CeCu2Si2 UBe13 UPd2Al3 CeCoIn5
PuCoGa5 K3C60
RbCs2C60
La1.85Ba0.15CuO4
YBa2Cu3O7
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
HgBa2Ca2Cu3O8
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8
Jahr
Kri
tisc
he
Te
mp
era
tur
[K]
LN2 -
LHe -
Ka
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ne
s
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Me
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er
F. &
H.
Lo
nd
on
BCS
organic
Heavy Fermion
Cuprates
Iron based
-
LN2
J.G. Bednorz K.A. Müller
Nobelpreis 1987:
Hochtemperatur-Supraleitung
J. G. Bednorz and K. A. Müller,
Z. Phys. B 64, 189 (1986): La2-xBaxCuO4
Fe
ba
sie
rt
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Konstant-Energiescan bei der Resonanz-Energie
Spin Suszeptibilität in der supraleitenden (T = 4K) und normal leitenden Phase (T = 60K und 280 K).
Inosov et al., Nat. Phys. 6, 178 (2010); Weitere Literatur: P. Aynajian, et al., Science 319, 1509 (2008), Y. Li et al., Nat. Phys. 8, 404 (2012), A. Hamann et al., Phys. Rev. Lett 110, 096404 (2013),
X. Lu et al., Science 345, 657 (2014), P.G. Niklowitz et al., Phys. Rev. B 92, 115116 (2015), T. Reimann et al., Nat. Commun. 6:8813 (2015)
Schlüsseltechnologien & Energie
Fe-basierte Hochtemperatur-Supraleiter Bsp.: optimal dotiertes
BaFe1.85Co0.15As2 , Tc= 25K
→ Magnetische Fluktuationen sind entscheidend zum Verständnis von Hochtemperatur-Supraleitung
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Schlüsseltechnologien & Energie
Hochtemperatur-Supraleitung: Anwendungsbeispiele
JR-Maglev: Magnetische Levitation Schnellzug mit supra-leitenden Spulen: Geplante Geschwindigkeit > 500 km/h zwischen Tokio und Osaka
http://de.wikipedia.org/wiki/JR-Maglev
Japan Deutschland
http://www.rwe.com/web/cms/de/1309446/rwe/innovation/ projekte-technologien/strom-und-gasnetze/stromnetze/ampacity/
AmpaCity: längstes Hoch-Temperatur supraleitendes Kabel für Stromversorgung innerhalb Essens seit 30. April 2014
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Schlüsseltechnologien & Energie
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
ABB: Gleichstromkabel an der Nordsee
Gesteuerte Gleichrichtertürme;
96 Thyristoren, 250 KV – 2000 A
→ am FRM II: bis zu 15 Tonnen/Jahr
homogenst dotiertes Silizium durch Neutronentransmutation:
© W. Schürmann / TUM
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Kooperationsprojekt mit utg (Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen, TUM), M. Hofmann, STRESS-SPEC (FRM II)
Schlüsseltechnologien
Eigenspannungen während der Aluminiumgussherstellung
Quelle: KS Aluminium-Technologie AG
Aluminum
Stahl-Liner Aluminium (Gussstück)
Stahl- Liner
Gussstück für Neutronenbeugungs- Experiment am Instrument STRESS-SPEC
Messung von Eigenspannungen in Gussstücken bisher nur im Endzustand nach der
Fertigung möglich, ohne zu wissen, wie sie entstehen
Wissen über Eigenspannungen wichtig für das Design von Gussstücken (z.B. Motorblöcke)
FEM-Simulationsberechnungen versuchen Verhalten während des Gießens vorauszusagen
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Kooperationsprojekt mit utg (Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen, TUM), M. Hofmann, STRESS-SPEC (FRM II)
Schlüsseltechnologien
Eigenspannungen während des Gießprozesses
In-situ Ex-situ
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Schlüsseltechnologien
Eigenspannungen während des Gießprozesses
M. Reihle, Entstehung und Ausprägung von Eigenspannungen in Verbundgussteilen, Doktorarbeit, TUM utg (2015) U. Wasmuth et al., CIRP Annals – Manufacturing Technology 57, 579 (2008), M. Reihle et al., Materials Science Forum 768-769, 484 (2014)
Drastisch verbesserte Finite Elemente-Simulation des Gießvorgangs
Entwicklung der inneren Spannungen im Stahlliner während des Abkühlungsprozesses
Aluminium
(Gussstück)
Stahl-Liner
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Blende
Al – Schmiedeteil (Alloy AA 2618)
Ø = 530 mm, Masse ~ 100 kg
Verwendung:
Halbzeug zur Fertigung von
Verdichterrädern für Turbolader in
Großdieselmotoren
Untersuchungsziel:
Einfluß der T6-Wärmebehandlung auf
Eigenspannungen (ES) nach dem
Abschrecken
N. Chobaut et al, EPF Lausanne (2013)
Großdiesel mit Turbolader
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Rollenrichtmaschine Fa. Koch H&K Industrieanlagen
Motivation:
Roll-Richten ist der letzte Prozess-Schritt
bei der Herstellung von Eisenbahnschienen,
dabei sollten Eigenspannungen so niedrig
wie möglich gehalten werden (< 250 MPa
am Fuß, EN 13674, 2008)
Untersuchungsziel:
Bestimmung des ES – Verlaufs zum
Abgleich mit FEM und Validierung eines
zerstörenden Verfahren (Contour-Methode)
Erwarteter ES-Verlauf entlang der Schiene (longitudinal) nach Roll-Richten
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Motivation:
Roll-Richten ist der letzte Prozess-Schritt
bei der Herstellung von Eisenbahnschienen,
dabei sollten Eigenspannungen so niedrig
wie möglich gehalten werden (< 250 MPa
am Fuß, EN 13674, 2008)
Untersuchungsziel:
Bestimmung des ES – Verlaufs zum
Abgleich mit FEM und Validierung eines
zerstörenden Verfahren (Contour-Methode)
Messpositionen
R. Kaiser et al, J. Strain Analysis (2014)
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Zylinder aus Ni-Basislegierung FGH96 (Ø
=100 mm, Wanddicke 15 mm)
Motivation:
Reibschweißen (IFW = Inertia Friction
Welding) als Methode Halbzeuge zu
verbinden erzeugt wahrscheinlich sehr
hohe Zug-ES in der Schweißzone
Untersuchungsziel:
Bestimmung des dreiachsigen
Spannungszustandes als Grundlage für
FEM Modelle des IFW Prozesses
C. Davies et al, Imperial College (2015)
Messvolumen 2x2x2 mm3
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Hochauflösende Radiographie
Schillinger et al, FRM II
Ein-Zylinder-Motor
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Ralph Gilles
(Measurements at PSI) Residual particles
Turbine blades: inspection with neutrons
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Kooperationsprojekt mit FORD
≥ 0 % Klebstoff
100 % Klebstoff 100 % Klebstoff
Versiegelung
1
2
3 4 5 6 7
8
9
Füllgradanforderungen Bördelflansch
präparierte Autotür
für Teststudie
I. Wehmeyer (Ford)
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Klebstofffronten
Fehlstelle
1 cm
I. Wehmeyer (Ford), B. Schillinger, R. Gilles (FRM II)
Validierung Neutronenradiographie -1-
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Vergleich
Röntgendurchstrahlung & Neutronenradiographie
Röntgendurchstrahlung Neutronenradiographie
I. Wehmeyer (Ford), B. Schillinger, R. Gilles (FRM II)
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Light in the dark, in situ-radiography of an engine
BMW engine – electrically driven
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Ralph Gilles
test objects: memory chips
3-4 x 108 neutrons/cm2 s
-> fluence of 1012 – 1013 n/cm2
for 1/2 day (if electric component stable !)
12 SRAM objects from various producer
(1 .. 16 Mbit)
B. Gudehus (Wehrwissenschaftliches Institut)
Irradiation
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Ralph Gilles
Experimental:
Three set ups with various energy of neutrons:
Irradiation with fission neutrons
Irradiation with thermal neutrons
Irradiation with cold neutrons
B. Gudehus (Wehrwissenschaftliches Institut)
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Ralph Gilles
143,3129,5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1.5
Cyp
ress
1.7
Cyp
ress
2.4
ISSI
2.7
ISSI
3.7
Ren
esas
4.5
Ren
esas
5.4
Ren
esas
5.7
Ren
esas
6.5
Ren
esas
7.6
Samsu
ng
7.8
Samsu
ng
9.1
Hyn
ix
9.2
Hyn
ix
10.4 H
ynix
11.4 H
ynix
12.4 A
erofle
x
12.5 A
erofle
x
10
-15
Fehle
r/B
it n
/cm
2
ohne PE mit PE kalte Neutr.
Evaluation:
B. Gudehus (Wehrwissenschaftliches Institut)
> > E (fast) E (therm.) E < < E (cold)
Err
or
/bit n
/ cm
2
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Lebenswissenschaften & Gesundheit
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Lebenswissenschaften & Gesundheit
Bakterielle Antibiotikaresistenz durch von Bakterien erzeugte Enzyme (ß-Lactamasen), die
ß-Lactam basierte Antibiotika spalten (z.B. Penicillin).
Aufklärung enzymatischer Reaktionsmechanismen auf atomarer Ebene (Wasserstoffatom-
Positionen!) mittels der Neutronen-Diffraktion.
Aminosäure Glutaminsäure-166 fungiert als
temporärer Protonen-Akzeptor
während des katalytischen Zyklus
des Enzyms.
→ Entwicklung besserer Antibiotika
• Mechanismus bakterieller Antibiotikaresistenz
Proton von Glu166
Tomanicek et al., J. Biol. Chem., 288, 4715 (2013)
Der Enzym-Kristall (1 mm3) auf dem Diffraktometer BIODIFF in einer Kapillare
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Wer nutzt die Neutronen? – Messgastbesuche aus der ganzen Welt (hier dargestellt 2011 – 2014)
Nutzung der Neutronen (Angewandte Forschung, Industrie & Medizin): 30 %
Wissenschaft (Grundlagenforschung): 70 %
Deutschland 49,4%
Frankreich 7,6%
Schweiz 4,2%
Großbritannien 5,2%
Andere EU Staaten
18,3%
Restliches Europa 4.6%
Afrika 0,2%
Amerika 4,0%
Asien 6,4%
→ Nationale Quelle mit großer internationaler Bedeutung
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Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz
Heinz Maier-Leibnitz Zentrum
ca. 400 Mitarbeiter ca. 55 Mio. € Jahresbudget
plus ca. 14 Mio. € Drittmittelaufkommen/Jahr
& Max-Planck-Institut für Festkörperforschung & 10 Universitätsgruppen