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NeutronenNeutrons
Neutronen sind elektrisch ungeladene Teilchen, die in nahezu jedem Atomkern vorkommen. Sie können tief in viele Materialien eindringen und mit Atomkernen und magnetischen Strukturen auf eine Weise wechselwirken, die andere Untersuchungsverfahren ergänzt. Damit lassen sich die Bewegungen von Molekülen ebenso erforschen wie die Struktur von Werkstoffen, magnetische Eigenschaften oder Vorgänge im Inneren der Erde. Neutrons are electrically neutral particles found in the nuclei of many atoms. They can penetrate deeply into a wide range of materials and interact with atomic nuclei and magnetic structures in ways that complement other investigative methods. This makes it possible to study the movements of molecules, the structure of materials, magnetic properties and even processes deep within the Earth.
An der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) in Garching werden Neutronen durch Kernspaltung erzeugt und über Strahlrohre und Neutronenleiter zu einer Vielzahl wissenschaftlicher Instrumente geführt. Dort werden sie gebündelt, nach ihrer Energie ausgewählt und auf Proben gerichtet. Die dazu erforderlichen Anlagen bilden eine umfangreiche technische Landschaft, in der Wissenschaft, Maschinenbau, Elektronik und Präzisionsmesstechnik zusammenkommen. At the Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) in Garching, neutrons are produced by nuclear fission and directed through beam tubes and neutron guides to a wide variety of scientific instruments. There, they are focused, selected according to their energy and directed at samples. The equipment required forms an extensive technological landscape, bringing together scientific research, mechanical engineering, electronics and precision measurement.
Die Fotografien zeigen einige dieser Instrumente und die Menschen, die an ihnen arbeiten. Die Serie ist Teil meines langfristig angelegten Projekts „Big Science“, das die technischen Einrichtungen der naturwissenschaftlichen Großforschung dokumentiert. The photographs show some of these instruments and the people who work with them. The series forms part of my long-term project Big Science, documenting the technical facilities of large-scale scientific research.
Zum TitelbildAbout the Cover Image
Das Titelbild zeigt den Blick in das unbeleuchtete Reaktorbecken des FRM II während des Ausbaus eines Brennelements. Das intensive Blau ist Tscherenkow-Strahlung: Sie entsteht, wenn sich geladene Teilchen im Wasser schneller bewegen als Licht in diesem Medium. The cover photograph looks down into the unlit reactor pool of FRM II during the removal of a fuel element. The intense blue glow is Cherenkov radiation, produced when charged particles travel through water faster than light travels through that medium.
Im Becken befinden sich auch Einrichtungen zur Erzeugung kalter und heißer Neutronen sowie verschiedene Bestrahlungsanlagen. Die schmalen Rohre rechts im Bild gehören zu einer Rohrpostanlage, die Materialproben in die Nähe des Reaktorkerns befördert. Dort können sie beispielsweise für die Herstellung medizinischer Radioisotope oder zur Bestimmung ihrer chemischen Zusammensetzung mit Neutronen bestrahlt werden. The pool also contains facilities for producing cold and hot neutrons, together with various irradiation systems. The narrow tubes on the right belong to a pneumatic transfer system that carries material samples close to the reactor core. There, they can be irradiated with neutrons, for example to produce medical radioisotopes or determine their chemical composition.
Die InstrumenteThe Instruments
Experimentierhalle und PositronenquelleExperimental Hall and Positron Source
Im Zentrum der Experimentierhalle liegt das Reaktorbecken, dessen rotbraune Außenwand im Hintergrund zu sehen ist. Die Halle beherbergt zahlreiche Instrumente, die Neutronenstrahlen für wissenschaftliche Untersuchungen nutzen. Links im Bild befinden sich Teile der Positronenquelle. At the centre of the experimental hall is the reactor pool, whose reddish-brown outer wall can be seen in the background. The hall houses numerous instruments that use neutron beams for scientific investigations. On the left are parts of the positron source.
Positronen sind die positiv geladenen Antiteilchen der Elektronen. Sie lassen sich mithilfe elektrischer und magnetischer Felder führen und werden in der Materialforschung als außerordentlich empfindliche Sonden eingesetzt. Mit ihnen können selbst kleinste Fehlstellen in der atomaren Struktur untersucht werden, beispielsweise Defekte in Batteriematerialien. Positrons are the positively charged antiparticles of electrons. They can be guided by electric and magnetic fields and are used in materials research as exceptionally sensitive probes. They can reveal even the smallest defects in atomic structures, including imperfections in battery materials.
Neutronen-Spin-Echo-SpektroskopieNeutron Spin Echo Spectroscopy
Mit diesem Spektrometer lassen sich äußerst langsame Bewegungen von Atomen und Molekülen untersuchen, etwa in Proteinen oder komplexen magnetischen Materialien. Dazu werden kalte, polarisierte Neutronen durch sorgfältig abgestimmte Magnetfelder geführt. Veränderungen ihres Spins ermöglichen es, die winzigen Energieübertragungen bei der Streuung an einer Probe zu erfassen. This spectrometer makes it possible to investigate extremely slow movements of atoms and molecules, for example in proteins or complex magnetic materials. Cold, polarised neutrons are guided through precisely controlled magnetic fields. Changes in their spin allow the tiny energy transfers that occur when neutrons scatter from a sample to be measured.
Die Form und Anordnung der elektromagnetischen Spulen ergibt sich aus den jeweils benötigten Magnetfeldern. Die drei Spulen im Vordergrund dienen dazu, die Polarisation der Neutronen gegenüber störenden Magnetfeldern aufrechtzuerhalten. The arrangement and shape of the electromagnetic coils are determined by the magnetic fields required. The three coils in the foreground help preserve the polarisation of the neutrons against interfering magnetic fields.
Rechts im Hintergrund ist die etwa 20 Meter lange magentafarbene Detektorröhre eines weiteren Instruments zu erkennen. Es untersucht mithilfe der Neutronenkleinwinkelstreuung Strukturen im Nanometerbereich. Visible in the background on the right is the approximately 20-metre-long magenta detector tube of another instrument. It uses small-angle neutron scattering to investigate structures on the nanometre scale.
Auf der Suche nach dem elektrischen Dipolmoment des NeutronsSearching for the Neutron’s Electric Dipole Moment
Warum besteht das Universum fast ausschließlich aus Materie und kaum aus Antimaterie? Einen möglichen Hinweis könnte eine bislang nicht nachgewiesene Eigenschaft des Neutrons liefern: ein winziges elektrisches Dipolmoment. Why does the universe consist almost entirely of matter, with so little antimatter? One possible clue may lie in a property of the neutron that has yet to be detected: an extremely small electric dipole moment.
Für entsprechende Präzisionsmessungen müssen störende Magnetfelder so weit wie möglich ausgeschlossen werden. Ein Forschungsteam der TU München entwickelte dafür einen mehrfach abgeschirmten Messraum, in dem das äußere Magnetfeld um mehr als das Millionenfache abgeschwächt werden kann. Bei seiner Vorstellung 2015 galt das darin erreichte Restmagnetfeld als schwächer als das natürliche Magnetfeld in den äußeren Bereichen unseres Sonnensystems. Such precision measurements require external magnetic fields to be suppressed as far as possible. A research team at the Technical University of Munich developed a multilayer magnetically shielded room capable of reducing external magnetic fields by more than a factor of one million. When presented in 2015, the residual field achieved inside was described as weaker than the natural magnetic field in the outer reaches of our Solar System.
Der Nachweis eines elektrischen Dipolmoments des Neutrons könnte auf bislang unbekannte Verletzungen fundamentaler physikalischer Symmetrien hinweisen und so helfen, den Überschuss an Materie im Universum zu erklären. The discovery of an electric dipole moment of the neutron could point to previously unknown violations of fundamental physical symmetries, helping to explain why matter came to dominate the universe.
Strahlrohr für schnelle NeutronenBeam Tube for Fast Neutrons
Blick in ein Strahlrohr, das zwei unterschiedliche Einrichtungen mit schnellen Neutronen versorgt. Die medizinische Bestrahlungsanlage MEDAPP wurde unter anderem zur Behandlung schwer therapierbarer, oberflächennaher Tumoren eingesetzt. Schnelle Neutronen können außerdem verwendet werden, um die Strahlenbeständigkeit biologischer Proben und elektronischer Bauteile zu untersuchen. A view into a beam tube supplying fast neutrons to two different facilities. The medical irradiation facility MEDAPP was used, among other purposes, to treat certain difficult-to-treat tumours close to the surface of the body. Fast neutrons can also be used to investigate radiation damage in biological samples and electronic components.
Die zweite Anlage, NECTAR, dient der zerstörungsfreien Durchleuchtung großer Objekte. Schnelle Neutronen können tief in dichte Materialien eindringen und Informationen liefern, die Röntgen- oder Gammastrahlen nicht in derselben Weise zugänglich machen. Besonders aufschlussreich sind Untersuchungen wasserstoffhaltiger Materialien, etwa von Energiespeichern oder verklebten Holzkonstruktionen. The second facility, NECTAR, is used for non-destructive imaging of large objects. Fast neutrons can penetrate deeply into dense materials and reveal information that X-rays or gamma rays cannot provide in quite the same way. Investigations of hydrogen-containing materials are particularly informative, for example in energy storage systems or glued timber structures.
SAPHiR – Eine Hochdruckpresse für die Erforschung des ErdinnerenSAPHiR – A High-Pressure Press for Exploring the Earth’s Interior
Sechs hydraulische Stempel üben auf eine winzige Probe einen Druck von bis zu 15 Gigapascal aus – etwa das 150.000-Fache des Atmosphärendrucks. Gleichzeitig lässt sich die Probe auf über 2.000 °C erhitzen. Damit können Bedingungen nachgebildet werden, wie sie mehrere Hundert Kilometer unter der Erdoberfläche herrschen. Six hydraulic rams exert a pressure of up to 15 gigapascals on a tiny sample – approximately 150,000 times atmospheric pressure. At the same time, the sample can be heated to more than 2,000°C. These conditions reproduce those found hundreds of kilometres beneath the Earth’s surface.
Die etwa 50 Tonnen schwere Hochdruckpresse muss die nur wenige Millimeter große Probe äußerst präzise im Neutronenstrahl positionieren. So lassen sich Aufbau und Verhalten von Gesteinen und Schmelzen unter extremem Druck und bei hohen Temperaturen untersuchen. Die Ergebnisse dienen dem Verständnis der Vorgänge im Erdinneren und können auch für die Entwicklung neuer Materialien nützlich sein. The high-pressure press weighs approximately 50 tonnes, yet it must position a sample just a few millimetres across with extraordinary precision in the neutron beam. This allows researchers to investigate the structure and behaviour of rocks and melts under extreme pressures and temperatures. The findings help us understand processes deep within the Earth and may also contribute to the development of new materials.
Zum Zeitpunkt der Aufnahme befand sich das Instrument noch im Aufbau. The instrument was still under construction when the photograph was taken.
Forschung während der WartungspauseResearch During a Maintenance Shutdown
Was machen Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker, wenn es keine Neutronen gibt? Im regulären Betriebszyklus des FRM II liefert ein einziges Brennelement 60 Tage lang einen hohen Neutronenfluss. Danach wird es ausgetauscht; zwischen den Betriebsphasen finden umfangreiche Wartungsarbeiten und Sicherheitsprüfungen statt. What do scientists, engineers and technicians do when there are no neutrons? Under the normal operating cycle at FRM II, a single fuel element provides a high neutron flux for 60 days. The element is then replaced, and extensive maintenance work and safety inspections take place between operating periods.
Während dieser Pausen können keine Experimente mit dem Neutronenstrahl durchgeführt werden. An den Instrumenten wird dennoch gearbeitet: Sie werden überprüft, repariert, umgebaut und weiterentwickelt. Dabei kommt es auf die Zusammenarbeit der Menschen an, die die Anlagen wissenschaftlich betreuen, technisch betreiben und instand halten. Die Aufnahme zeigt einen solchen Arbeitsmoment. No experiments using the neutron beam can be conducted during these intervals. Work on the instruments continues, however: they are inspected, repaired, modified and improved. This depends on close cooperation between the people responsible for scientific research, technical operation and maintenance. The photograph captures one such moment.
FortsetzungContinuation
Die Aufnahmen aus Garching bilden einen Ausgangspunkt für die weitere Dokumentation der Forschung mit Neutronen. Fotografien entstanden auch am Forschungszentrum Jülich; mögliche nächste Stationen sind die Europäische Spallationsquelle ESS in Lund und das Institut Laue-Langevin mit seinem Hochflussreaktor in Grenoble. The photographs from Garching provide a starting point for further documentation of neutron research. I have also photographed at the Forschungszentrum Jülich; possible future locations include the European Spallation Source (ESS) in Lund and the Institut Laue-Langevin with its high-flux reactor in Grenoble.
Langfristig soll „Big Science“ über die Neutronenforschung hinauswachsen – zu einer fotografischen Dokumentation der Instrumente, Anlagen und Arbeitswelten, mit denen die Naturwissenschaften die Grenzen des Messbaren verschieben. In the longer term, Big Science is intended to extend beyond neutron research, becoming a photographic record of the instruments, facilities and working environments through which the natural sciences continue to push the limits of what can be measured.