Projekte

ESS/BEER

Im Rahmen des durch das BMBF finanzierten Design Update Projekts für die Europäische Spallationsquelle ESS werden in den beteiligten Helmholtz-Zentren FZJ, HZG, HZB und bei der TU München neuartige Konzepte für Neutroneninstrumentierung entwickelt. HZG und Partner aus der Tschechischen Republik reichten erfolgreich einen Projektantrag für ein gemeinsames ingenieurwissenschaftliches Diffractometer (Beamline for European materials Engineering Research, BEER) an der ESS ein.

HZG ist auch beteiligt an der Entwicklung von Konzepten auf den Gebieten Reflektometrie, 3He-freie Neutronendetektoren, ESS-spezifische Probenumgebung und der Kommunikationsplattform "High Data Rate Initiative (HDRI)".

BEER

Der Probenort von BEER mit der Proben-umgebung GLEEBLE und den seitlichen Detektoren (rot), sowie dem Detektorbogen (magenta) und dem SANS-Streurohr.

Die Beamline for European Materials Engineering Research (BEER) ist ein Diffraktometer, das auf die Untersuchung von Werkstoffen mit Hilfe von Neutronen spezialisiert ist. Das Design wurde gemeinsam mit tschechischen Kollegen vom Nuclear Physics Institute (NPI) in Rez entwickelt. Ein gemeinsamer Projektantrag über den Aufbau des Instrumentes an der ESS wurde erfolgreich eingereicht.

Die Herausforderung war, ein Instrument zu entwickeln, das die Vorteile des langen Neutronenpulses der Spallationsquelle optimal nutzt. Die optimale Nutzung des Pulses ergibt, verglichen mit anderen ingenieurwissenschaftlichen Neutronendiffraktometern in der Welt, einen höheren Neutronenfluss an der Probenposition. Deshalb enthält der Entwurf von BEER eine neue Chopper-Technik, das sogenannte Pulse Multiplexing. Diese Technik ermöglicht es aus dem langen ESS-Puls mehrere kurze Pulse zu extrahieren, was zu erheblichen Intensitätsgewinnen von bis zu einer Größenordnung im Vergleich zu pulse shaping chopper Methoden führt.

Darüber hinaus bietet BEER extrem breite Intensitäts-/Auflösungsbereiche und eine umfassende Detektorabdeckung, so dass es ein ideales Instrument für Ingenieurwissenschaften darstellt.

Zusätzlich bietet BEER die Möglichkeit für simultane SANS- oder Imaging-Untersuchungen, ohne dabei Kompromisse bei den Diffraktionsmessungen eingehen zu müssen. Die herausragende Leistung von BEER zusammen mit Standard und spezialisierten Probenumgebungen, z.B. eine GLEEBLE oder ein Abschreck- und Umform-Dilatometer, werden die Grenzen der Materialforschung mit Neutronenbeugung in den folgenden Bereichen erweitern:

• Eigenspannungsanalyse
• Texturanalyse
• Phasenanalyse
• In situ und in operando Untersuchungen
• Studium von realitätsnahen industriellen Materialbearbeitungen

Kontakt


Gruppenleitung

Dr. Jochen Fenske
Dr. Jochen Fenske

Institut für Werkstoffforschung, Gruppe "Neue Instrumentierung für Neutronenstreuung"

Helmholtz-Zentrum Geesthacht
Max-Planck-Str. 1
21502 Geesthacht
Deutschland

Tel: +49 (0)4152 87-1224

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Dr. Mustapha Rouijaa

Institut für Werkstoffforschung, Gruppe "Neue Instrumentierung für Neutronenstreuung"

Helmholtz-Zentrum Geesthacht
Max-Planck-Str. 1
21502 Geesthacht
Deutschland

Tel: +49 (0)4152 87-1286

E-Mail Kontakt

Detektoren

Bild Wpe Detektoren

Die Leistungsfähigkeit und Zeiteffizienz moderner Neutronenstreuanlagen skaliert nur dann mit der steigenden Primärintensität, wenn auch die Detektortechnologie in Punkten wie Aufnahmerate, Effizienz und Ortsauflösung dieser Entwicklung folgen kann. Aus diesem Grunde und der gleichzeitig eingetretenen drastischen Verknappung des 3He-Gases inklusive aller begleitenden Folgen für die Beschaffung dieses bis dato unerlässlichen, neutronenkonvertierenden Gases, werden am HZG im Rahmen eines in-kind Programms zur Design-Update- und zur Bauphase der Europäischen Spallationsquelle (ESS) in Lund, alternative, 3He-freie Neutronendetektoren basierend auf 10B4C-Neutronenkonversionschichten entwickelt . Zu Beginn dieser Aktivität wurde am HZG ein Beschichtungsverfahren entwickelt, welches es erlaubt auf der benötigten Konverterfläche sehr homogene, µm dicke 10B4C Beschichtungen auf günstigen Al-Blechen abzuscheiden[1].
Das Einsatzfeld moderner Streuexperimente in z. B. der angewandten Materialforschung (mit Neutronen wie auch Synchrotronstrahlung gleichermaßen) erfährt eine Verschiebung zu zeitaufgelösten, immer schnelleren in-situ und in-operando Prozessverfolgungsszenarien, die eine entsprechend schnelle Signalaufnahme voraussetzen. Die gleichzeitige Anwendung mehrere Streutechniken in einem Experiment wie SANS, Diffraktion, etc. und der Einsatz des effizienten Flugzeitmodus erfordern eine möglichst große Abdeckung des Probenraumwinkels mit Detektionsfläche. So werden breitbandige Messungen des Impulsübertrages von der Probe auf gestreute Neutronen, mittels großflächiger 2D-sensitive Neutronendetektoren ermöglicht.
Die konstruktiven Herausforderungen beim Bau solcher großflächiger, 3He-freier Neutronendetektoren und die Entwicklung der angepassten Messelektronik, sowie Datenverarbeitung werden durch engagierte Entwicklungsarbeit des HZG-Technikums in Angriff genommen. Die gewonnenen wertvollen Erkenntnisse und Erfahrungen in der erfolgreichen Entwicklung von 3He-freien Prototypneutronendetektoren aus vergangenen Projekten [2, 3, 4] erlauben die Fokussierung der Aktivität auf ingenieur-technische Lösungssuche im Bereich Elektronik, materialverbindender Verfahren von heterogenen Materialien, sowie Konstruktionsentwicklungen in Sinne des Upscalings aus Prototypdetektoren.
In Zusammenarbeit mit dem HZG-TKA und HZG-TKE ist geplant, die an der HZG Beamline „BEER“ benötigten Detektoren mit einer aktiven Fläche von je 1m2 und 2 mm Ortsauflösung bereitzustellen um an der ESS ein Flaggschiff Instrument der Europäischen Materialforschung mittels Neutronenstreutechniken in Betrieb zu nehmen [5].

Publikationen:


[1] “Neutronenkonversionschicht”, M. Störmer, C. Horstmann, G. Nowak, R. Kampmann, J Hedde, Europäisches Patent Nr. 2 997 174 (15731384.2), HZG-Az: 42806_0513EP/DE, (2016)

[2] ESS-TDR (2013), ISBN 978-91-980173-2-8

[3] G. Croci, G. Claps, R. Caniello, C. Cazzaniga, G. Grosso, F. Murtas, M. Tardocchi, M. Vassallo, G. Gorini, C. Horstmann, R. Kampmann, G. Nowak, M. Stoermer, “GEM-based thermal neutron beam monitors for spallation sources” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A, 686, 151–155 (2013)

[4] G. Nowak, M. Störmer, H.-W. Becker, C. Horstmann, R. Kampmann, D. Höche, M. Haese-Seiller, J. - F. Moulin, M. Pomm, C. Randau, U. Lorenz, R. Hall-Wilton, M. Müller, A. Schreyer, “Boron carbide coatings for neutron detection probed by x-rays, ions, and neutrons to determine thin film quality” , J. Appl. Phys., 117, 034901 (2015)

[5] I. Stefanescu, M. Christensen, J. Fenske, R. Hall-Wilton, P. Henry, O. Kirstein, M. Müller, G. Nowak, D. Pooley, D. Raspino , N. Rhodes , J. Šaroun, J. Schefer, E. Schooneveld, J. Sykora, W. Schweika, “Neutron detectors for the ESS diffractomteres”, J. of Instrumentation, 12, P01019, (2017);

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Dr. Gregor Nowak

Institut für Werkstoffforschung, Gruppe "Neue Instrumentierung für Neutronenstreuung""

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Prof. Dr. Martin Müller
Prof. Dr. Martin Müller

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