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 ZEL

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Verantwortlich: Prof. T. Brückel, IFF, t.brueckel@fz-juelich.de

Aufgaben und Ziele

Die makroskopischen Eigenschaften kondensierter Materie ergeben sich aus dem Zusammenwirken ihrer elektronischen, atomaren und molekularen Bestandteile. Streumethoden und Spektroskopie mit Neutronen- und Synchrotronstrahlung legen das Fundament für unser heutiges Verständnis von kondensierter Materie auf mikroskopischem Niveau. Der Betrieb von Großgeräten, wie des Forschungsreaktors FRJ-2, und der Instrumente ist eine wesentliche Aufgabe der Helmholtz-Zentren. Das FE-Vorhaben M05 umfasst:

• den Betrieb und die kontinuierliche Weiterentwicklung des Forschungsreaktors FRJ-2, als der stärksten Neutronenquelle der HGF, hauptsächlich für Streu- und Spektroskopieexperimente an kondensierter Materie;
• die Entwicklung und den Bau neuartiger Streuinstrumente für den Einsatz am Forschungsreaktor FRJ-2, aber auch an anderen Neutronen- und Synchrotronquellen, sowie die Verbesserung dieser Instrumente;
• den Betrieb dieser Instrumente, insbesondere auch für die Nutzung durch Gästegruppen von Universitäten, Forschungseinrichtungen und der freien Wirtschaft.

Wesentliche Ergebnisse im Jahr 2003

Betrieb des Reaktors: Der Reaktor war im Jahr 2003 während 10 Perioden an insgesamt 195 Tagen in Betrieb. Dabei wurde eine Verfügbarkeit von über 95 % erreicht, auch für die Kalte Quelle und die Bestrahlungseinrichtungen.

Weiterentwicklung des Reaktors: Das Monte Carlo Rechenprogramm MCNP, das die kernphysikalischen Gegebenheiten im Reaktorkern simuliert, wurde verifiziert und ist nun von der Genehmigungsbehörde anerkannt. Der FRJ-2 wurde in verschiedenen Bereichen ertüchtigt. So wurde die Leittechnik der kalten Quelle, die Strahlenschutzinstrumentierung und die Leittechnik des Reaktorschutzsystems teilweise erneuert. Die Umstellung des Reaktorkerns von HEU auf LEU wurde weiter vorangetrieben: die Entwicklung des neuen Brennelementtyps ist abgeschlossen, der ausführliche Sicherheitsbericht ist erstellt. Im Januar 2003 wurde der Antrag zur Umstellung auf niederangereichertes Uran bei der Genehmigungsbehörde gestellt. Die Genehmigung wird im ersten Halbjahr 2004 erwartet.

Erzeugung von Radioisotopen für medizinische Anwendungen: Der FRJ-2 ist einer von insgesamt vier Forschungsreaktoren in Europa, in denen 99Mo als Vorprodukt des Radiopharmakums 99Tc produziert wird. In 2003 konnten nach Einbau und Inbetriebnahme des dritten Bestrahlungseinschubs im FRJ-2 zum ersten Mal in drei Einschüben gleichzeitig Urantargets zur industriellen Produktion von 99Mo bestrahlt werden.

Betrieb der Neutronenstreuinstrumente am FRJ-2: Im Jahr 2003 befanden sich 15 Streuexperimente am FRJ-2 im vollen Nutzerbetrieb. 154 Experimente wurden durchgeführt, davon 92 durch externe Gruppen, entsprechend einem Anteil von 60 %. Die Nachfrage durch europäische Nutzer im Rahmen des Förderprogramms "Access to Research Infrastructures" der Europäischen Union verbleibt hoch mit Überlastquoten zwischen 2 und 3. Die externe Nutzung teilt sich auf in 43 % Nutzung durch deutsche Gruppen, 39 % durch Gruppen aus anderen EU-Staaten und 17 % durch außereuropäische Gruppen.

Bau und Weiterentwicklung von Instrumenten am FRJ-2: Die Systeme für die Instrumentansteuerung und Datenerfassung werden bei allen Neutronenstreuinstrumenten am FRJ-2 auf den neuen "Jülich-Münchener Standard", der zusammen mit der Instrumentierungsgruppe des FRM-II definiert wurde, umgestellt. Für die Instrumente SV-29, HADAS, KWS-1 und KWS-3 ist der neue Standard schon implementiert, SV-30, KWS-2 und DNS befinden sich in Arbeit. Die Kleinwinkelanlage KWS-1 hat einen neuen, schnelleren Szintillationsdetektor erhalten. Der Detektor für die Anlage KWS-2 befindet sich in Arbeit.
Der wichtigste methodische Durchbruch ist die Erfindung einer neuen Methode zur vektoriellen Polarisationsanalyse, die am Instrument DNS implementiert wurde. Die Methode basiert auf der Präzession der Neutronenpolarisation im Führungsfeld und erlaubt erstmals die vektorielle Polarisationsanalyse simultan für alle Winkel und Energieüberträge.

Bau von Instrumenten für externe Quellen: Der Bau eines jenseits des "state of the art" Neutronen-Spin-Echo (NSE) Spektrometers an der MW-Spallationsquelle SNS ist die große Herausforderung unseres Forschungs- und Entwicklungsprogramms im Bereich der Instrumentierung. Der Entwurf des neuen Spektrometers mit weltweit einzigartigen Eigenschaften wurde fertiggestellt. Das Design zeichnet sich aus durch höchste Auflösung mit Spin-Echo-Zeiten über 1 Mikro-Sekunde und einem dynamischen Bereich von mehr als 6 Größenordnungen. Das Konzept wurde dem Experimental Facility Advisory Committee (EFAC) der SNS im März 2003 vorgestellt und wurde dort hoch bewertet. Das Management der SNS reservierte die Beamline BL15 für das vorgeschlagene NSE-Instrument. Die detaillierte Konstruktion wurde begonnen.
Der Bau aller Komponenten des Rückstreuspektrometers für den FRM-II ist weitgehend abgeschlossen, so daß der Aufbau in Garching im Jahre 2004 erfolgen kann. Mit dem neuen luftkissengelagerten und mit Linearmotor angetriebenen Dopplerantrieb und dem Phasenraumtransformator wird das Instrument weltweit das beste Rückstreuspektrometer werden.

Betrieb von Instrumenten an externen Quellen: Neben den Instrumenten am FRJ-2-Reaktor wurden folgende Instrumente an externen Quellen (teilweise zusammen mit Partnern) betrieben und der wissenschaftlichen Allgemeinheit zur Verfügung gestellt: Dreiachsenspektrometer IN12 (Verbundinstrument) und Spinechospektrometer IN15 am ILL in Grenoble; Kleinwinkelanlage JUSIFA (Verbundinstrument) und Wigglerstrahl W1 am HASYLAB in Hamburg; je ein Strahlrohr an den Speicherringen von BESSY in Berlin und DELTA in Dortmund sowie der Undulatorstrahl im MUCAT-Sektor der APS in Argonne, USA. Darüber hinaus wird im Rahmen der Verbundförderung ein Rückstreuspektrometer für den Forschungsreaktor FRM-II in München erstellt.