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Vor zwei Wochen haben wir am COSY-Beschleuniger (bzw. JULIC) versucht, herauszufinden, welche Teilchen die meisten Neutronen produzieren, wenn man mit ihnen ein Berylliumtarget beschießt. Das ist vor allem für die Entwicklung von Beschleunigergetriebenen Neutronenquellen, sog. CANS, wichtig, die wir hier in Jülich zur Zeit entwickeln.

Eigentlich produzieren so ziemlich alle Teilchen freie Neutronen, wenn man sie auf irgendein Ziel schießt, was beim Bau und Betrieb von Teilchenbeschleunigern ziemlich nervig sein kann. Wenn man aber gezielt so viele Neutronen wie möglich produzieren möchte, wie wir z.B. in unserem HBS-Projekt, dann muss man schon etwas Aufwand betreiben. Als Ziel für die niederenergetische Kernreaktion eignet sich am ehesten ein leichtes Element wie Lithium oder Beryllium, da darin die Eindringtiefe am größten ist. Aber mit welchem Partikel wollen wir denn jetzt da draufschießen? Welches Teilchen ist am effektivsten?

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Manchmal sieht richtige Physik eher aus wie Archäologie

Simulationen mit Monte-Carlo-Code haben gezeigt, dass in dem Energiebereich zwischen 10 und 50 MeV Deuteronen (also ein Proton und ein Neutron) bei der gleichen Energie einen Vorteil von ca. 100% haben… je nachdem, welche Datenbanken man benutzt. Der MCNP-Transportcode simuliert den Weg von jedem einzelnen Teilchen von der Quelle im Teilchenbeschleuniger, über die Neutronenproduktion im Target, bis zum Detektor. Dabei nimmt es für jede Interaktion eine bestimmte Wahrscheinlichkeit an, die von externen internationalen Datenbanken zur Verfügung gestellt werden. Diese Datenbanken sind in manchen Bereichen extrem präzise. Alles, was mit Kernreaktoren und Spaltungsneutronen zu tun hat, ist wegen Atomwaffen und -kraftwerken extrem gut erforscht und sehr zuverlässig. Aber sobald Reaktionen benutzt werden, die nicht so präzise bekannt sind, wird es problematisch.

Bei den neutronenproduzierenden Wirkungsquerschnitten gibt es Abweichungen um bis zu 800%. Für die Simulanten ist das immer noch recht präzise, aber wir Neutronenphysiker raufen uns da die Haare. Für eine Erhöhung des Neutronenflusses um 100% wurde in der Vergangenheit mal gerne ein neuer Forschungsreaktor für 2 Milliarden gebaut. So ein Unterschied ist wichtig.

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Neue Beamline direkt zum Julic Zyklotron

Wenn vorhergegangene Experimente und Simulationen so eine große Ungenauigkeit haben, muss man halt nachmessen und genau das haben wir gemacht. Die Jungs vom COSY-Beschleuniger haben extra für uns ein Loch in die 3 Meter Betonabschirmung um ihr Zyklotron (den JULIC) gebohrt, damit wir uns direkt etwas von dem Strahl des JULIC abzapfen können, ohne ihn durch den Cooler Synchrotron schicken zu müssen. In diesen Strahl werden dann sog. Degrader-Platten reingehalten, mit der die Energie des Strahles dann noch weiter gesenkt werden kann, bevor er das Ziel (unseren Berylliumklotz, den ich zu Weihnachten im alten Büroschrank gefunden hatte) trifft. Das JULIC Synchrotron kann man sowieso zwischen Protonen und Deuteronen umschalten, so dass wir alles für eine entsprechende Studie zur Verfügung hatten.

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Schema des COSY Beschleunigers des FZ Jülich

Vor drei Wochen haben wir dann unser Target mit Protonen und Deuteronen bei verschiedenen Energien beschossen und gemessen, wie viele Neutronen produziert werden. Ganz so leicht, wie ich das hier darstelle, ist die Auswertung aber leider auch wieder nicht und der gute Kollege muss sicher noch ein paar Wochen vor dem Rechner sitzen, bevor er genaue Ergebnisse hat. Aber eines kann ich schon mal verraten: Bei 40MeV produzieren Deuteronen ca. 70% mehr Neutronen als Protonen derselben Energie. Das wissen auf der ganzen Welt bislang nur die Leute, die an dem Experiment teilgenommen haben und unsere internationalen Partner. Das heißt, dass die Leser dieses Blockes dann die 51zigsten (etc.) Menschen auf diesem Planeten sind, die diese brandneuen Informationen haben. Echte Wissenschaft live … sozusagen. 😉

Leider reichen die Ergebnisse noch nicht, um uns für eine Teilchenart für die HBS-Neutronenquelle zu entscheiden. Klar würden wir gerne 70% mehr Effektivität mitnehmen und benutzen, aber leider sind Deuteronen auch etwas komplizierter in der Benutzung als Protonen. Deuteronen müssen in einem Linearbeschleuniger recht “zärtlich” beschleunigt werden, denn sonst strippen sie vorher schon ihr Neutron ab und das landet dann irgendwo im Beschleuniger, wo man es nicht haben will. Daher sind Deuteronenbeschleuniger etwas komplizierter und damit auch etwas teurer. Nun ist die Frage, macht die Leistungsverbesserung den Preisunterschied wett oder nicht? Das können wir zur Zeit noch nicht definitiv beantworten, aber aktuell sieht es eher danach aus, als ob die Deuteronen ein wenig an Attraktivität gegenüber den Protonen eingebüßt hätten … zumindest gegenüber unseren ersten Simulationsergebnissen.

Kommentare (23)

  1. #2 Mars
    9. Oktober 2017

    #52
    das hört sich alles super prima an
    aber wozu war das ganze nochmal?
    … hab ja andere ‘NUCLEAR’ beiträge auch schon gelesen, aber da erschliesst sich dem autor eine welt, von der er so fasziniert ist, dass er sogar dicke bretter/betonwände bohren lässt, wo ich – ab der simulation mit 800% abweichung – leider nicht mehr alles verstanden hab
    da neutronen ja irgendwie nicht wirklich gelenkt werden können, bleibt bei jeder anwendung doch eine erhebliche verlustrate zu verzeichnen, weshalb natürlich möglichst viele davon erzeugt werden müssen. gibts da auch brauchbare ergebnisse, wie beim röntgenlaser für biologie oder geologie – oder archeologie – wie in eurem labor?

    • #3 Tobias Cronert
      9. Oktober 2017

      Also grundsätzlich war das Experiment ein wichtiger Teil um eine kompakte Neutronenquelle “zu erfinden”. Siehe den CANS und HBS Link weiter oben.

      Grundsätzlich werden Neutronen, wenn sie erstmal produziert worden sind, in Biologie, Chemie und Ferkörperphysik eingesetzt. Aktuell wird in Lund in Schwenden die weltgrößte Neutronenquelle (Cern Dimensionen) für mehrere Miliarden Euro gebaut. Da überlasse ich die Erklärung auch immer lieber Patrick Stewart, denn für was Neutronen eigentlich gut sind … ja damit kann man viele Bücher füllen. Ich persönlich habe Neutronen früher für die Erforschung von Speichermaterialien für Quantencomputer (sog. Multiferroika) benutzt.

  2. #4 Tobias Cronert
    9. Oktober 2017

    PS: Achja, wie Neutronenstreuung zur Materialanalyse funktioniert hat unser Institut auch mal mit einem Video dokumentiert

    PPS: Konkrete Anwendung? Also mein Doktorgroßvater hat einen Nobelpreis für die Erfindung des GMR Effektes (und damit der magnetischen Computerfestplatte/Auslesekopf) bekommen. 😉
    Jeder, der eine solche Festplatte benutzt, tut dies wegen der tollen Vorteile von Neutronen. *g*

  3. #5 Mars
    9. Oktober 2017

    na bitte, geht doch.
    ab und an ein gutes beispiel für einen interessierten laien macht das ganze doch viel lesenswerter.
    denn in vielen artikeln (zb über neue anlagen zur neutronenforschung in garching) liest man da begeisterung heraus über neue detektoren und aufbauten, aber das ‘wofür’ da hört man leider fast nichts. mag natürlich daran liegen, dass vieles zu kompliziert (pssst: oder geheim) ist
    aber mit einem banalen bsp. wie einem tief-fliegenden lesekopf lässt sich doch der einfache leser dazubringen weiterzulesen – und weiter zu informieren.
    demnächst mehr: aus Biologie, Chemie oder Festkörperphysik – gell!

  4. #6 Tobias Cronert
    9. Oktober 2017

    Ja, das ist die typische Betriebsblindheit von Leuten, die damit den ganzen Tag zu tun haben. Für mich ist das voll normal und selbstverständlich.

    Vielen Dank fürs Bescheid sagen.

    Ich gelobe feierlich in Zukunft mehr zu schreiben, was man mit Neutronen alles tolles machen kann.
    Stichwort: Wie Röntgen, nur besser. 😉

  5. #7 gedankenknick
    9. Oktober 2017

    Klar würden wir gerne 70% mehr Effektivität mitnehmen und benutzen, aber leider sind Deuteronen auch etwas komplizierter in der Benutzung als Protonen. […] Nun ist die Frage, macht die Leistungsverbesserung den Preisunterschied wett oder nicht?
    Kosten zwei protonenbetriebene Neutronenquellen in der Herstellung (und im Unterhalt sprich z.B. Stromverbrauch) weniger als das 1,7fache einer deuteronenbetriebenen Neutronenquelle, ist wirtschaftlich die Sachlage (augenscheinlich) klar. Allerdings kann man mit dieser simplen Betrachtungsweise Skalierungseffekte (bei der Vergrößerung bzw. Verkleinerung des konstruierten Systems) nicht automatisch erfassen… Und diese Betrachtung vermindert wahrscheinlich weitere Optimierungsforschung am vermeintlich teureren System.

    …unseren Berylliumklotz, den ich zu Weihnachten im alten Büro-Schrank gefunden hatte…
    Wo bekommt man denn solche wunscherfüllenden Büromöbel her? Im Katalog eines schwedischen Selbstbaumöbelhauses kann ich sowas nicht entdecken… Erinnert ja ein wenig Harry Potters Verschwindekabinet oder den Narnia-Kleiderschrank.

    [Bild] Neue Beamline direkt zum Julic Zyklotron
    Wenn die Beamline solch abgebildete Mutationen auslöst, bleibe ich ihr lieber fern (und bewerbe mich nicht auf offene Stellen) und lese stattdessen weiterhin die tollen Artikel hier im Blog. 😉

  6. #8 pederm
    9. Oktober 2017

    Patrick Stewart war der echte Chancellor der echten University of Huddersfield – da bin ich platt! (Ein bischen Heldenverehrung darf ab und an schon sein 😉

  7. #9 Tobias Cronert
    9. Oktober 2017

    Ein großer Punkt bei der Entscheideung bzgl. Protonen oder Deuteronen ist auch die Praktikabilität.
    Denn wenn beim Beschleunigungsprozess immer bei jeden 1000sendsten Deuteron, das Neutron verloren geht und in dem Beschleuniger landet wird dieser aktiviert. Wenn er zu stark aktiviert wird kann es sein, dass er in den Wartungspausen nicht manuell gewartet werden kann, weil die Strahlenbelastung zu hoch ist. Also man kann das Ding nicht mehr anpacken, weil es zu radioaktiv geworden ist.

    Das erhöht entweder die Kosten oder die Ausfallzeiten. Aber gerade letzteres ist eher schwer zu quantifizieren. Wenn ein Großgerät ausreichend Downtimes hat, kann es irrelevant sein … oder eben 15k€ pro Tag kosten. Da spielen immer eine Menge Wenn/Danns mit.

    @Gedankenknick: Ja dieses Büro war echt klasse und ich bin dem Kollegen immer noch dankbar, dass ich beim Ausräumen helfen durfte *g*
    Wir haben auch noch mehrere Kilo isotopenreines Lithium und ähnliche Späße gefunden, die da seit mehreren Jahren unbemerkt geschlummert haben. Das war echt ein schones Weihnachtsgeschenk.

  8. #10 tomtoo
    9. Oktober 2017

    @Tobias
    Hätten solche Daten nicht auch beim Bau von z.B H-Bomben eine Rolle gespielt ? Könnte es also sein ,das es Sie gibt aber im Tressor ?

  9. #11 Tobias Cronert
    9. Oktober 2017

    Die Datenbanken haben auch bei dem Bau und der Entwicklung von H-Bomben eine große Rolle gespielt und spielen es auch weiterhin. Es gibt gewisse Teile und Programme, die von LosAlamos unter Kontrolle gehalten werden, aber eigentlich ist mittlerweile alles verfügbar.

    http://scienceblogs.de/nucular/2015/06/16/weniger-atomwaffen-dafuer-aber-bessere-qualitaet/

    Eine H-Bombe kann man mittlerweile recht gut berechnen/simulieren. Das kann man Studenten für ihre Masterarbeit machen lassen.

  10. #12 schorsch
    9. Oktober 2017

    Patrick Stewart? Captain Picard aus TNG?

  11. #13 Tobias Cronert
    9. Oktober 2017

    Jup, der macht Werbung für meine Neutronenquelle *g*

    http://scienceblogs.de/nucular/2015/03/05/captn-uebernehmen-sie/

    find ich nett von ihm

  12. #14 schorsch
    9. Oktober 2017

    Hab bei mir im Browser Javascript immer abgeschaltet und darum nicht gesehen, dass Du im Kommentar gleich den Youtube-Clip verlinkt hattest.

  13. #15 tomtoo
    9. Oktober 2017

    @Tobias
    Ich denk ja das es dir ähnlich geht wie mir und du auch als einzige nucularwaffe B-(ananen) Bomben vorziehen würdest. Aber könnten die neuen Daten zur Verfeinerung von H-Waffen genutzt werden ?

  14. #16 Tobias Cronert
    9. Oktober 2017

    Jup, Bananabomb ftw! 😉

    Die entsprechenden Wirkungsquerschnitte zum Bombenbau sind seid den späten 80ger – frühen 90ger Jahren allgemein bekannt. Zumindest bei den großen Atommächten, die das dann auch entsprechend an ihre Freunde weitergegeben haben.

    Die Daten, die wir jetzt gesammelt haben sind welche, die noch nicht bekannt waren, weil sie für AKWs und Atombomben untinteressant sind und deswegen noch nicht erforscht wurden.

  15. #17 tomtoo
    9. Oktober 2017

    @tobias
    Danke dir !

  16. #18 tomtoo
    9. Oktober 2017

    @tobias
    B-Bombe
    Die Struktur scheint komplex zu sein. Und das Ding scheint mir auf den ersten Blick Terajoule zu enthalten.
    http://www.mannbackt.de/2013/08/16/bananenbombe-klassiker-in-neuem-gewand-378/

    ; )

  17. #19 demolog
    9. Oktober 2017

    @ gedankenknick
    9. Oktober 2017 #7

    Na, Baryllium entsteht immer dann, wenn in Sibirien (wie 1908) ein Asteroid in der Atmosphäre explodiert – und zwar nicht in der physikalischen Kettenreaktion des Explosionsprozesses, sondern in der Gerüchteküche derer Köpfe, die darüber zu angestrengt nachdenken.
    Und irgendwo muß das Zeug dann auch (end)gelagert werden…

    Oder habe ich jetzt das Element verwechselt?

    Kennt jemand das Gerücht mit der Kontamination mit einem seltsamen Element?

    @ Tobias Cronert
    9. Oktober 2017 #xy

    -> Oh ja, wenn capt. Picard dafür wirbt, dann muß es wichtig sein…
    Oder gibts da eine kleine Unstimmigkeit im Video? (Ich habs nicht gesehen…)

    Gabs neulich nicht ne Schlagzeile irgendwo, dass Bananen in Deutschland kostenlos verteilt werden sollten?
    Also auch im Westen an Wessis.
    Etwa weil deren “energetischer” Inhalt uns alle “enhancen” soll…? (keine Ahnung, hab nur die Schlagzeile gelesen)

  18. #20 tomtoo
    9. Oktober 2017

    “””Kennt jemand das Gerücht mit der Kontamination mit einem seltsamen Element?”””

    Ja, Ruthenium-106 ist gerade Aktuell. Soll aber kein Gerücht sein.

  19. #21 demolog
    10. Oktober 2017

    @ Toomtoo

    Das war nicht gemeint. Die Erwähnung aber passend und kommt aber aufs Gleiche raus – auch, wenn die Mengen ausdrücklich 200-fach unter allgemeinen Grenzwerten liegen.

  20. #22 Tobias Cronert
    11. Oktober 2017

    Also ob es Sinn macht, wenn “Celebrities” für echte wissenschaftliche Einrichtungen werben hatte ich mal in meinem entsprechenden Artikel diskutiert und bin für mich persönlich zumindest zu dem Schluss gekommen, dass es eine tolle Sache ist (vor allem innerhalb der Nerd-Ecke mit Picard *g*).

    Für kostenlose Bananen bin ich immer zu haben.

  21. #23 demolog
    12. Oktober 2017

    Zitat:
    Für kostenlose Bananen bin ich immer zu haben.

    -> Sie Kommunist, sie…