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ESS-Kompetenzzentrum

2014 wurde im schwedischen Lund der Grundstein für die Europäische Spallationsquelle (ESS) gelegt. 2019 soll das Gemeinschaftsprojekt 17 europäischer Länder mit ersten Instrumenten in Betrieb gehen. Die vollständige Betriebsbereitschaft mit 22 Instrumenten ist für 2025 geplant. Die ESS wird die weltweit intensivsten Neutronenpulse erzeugen und einzigartige Einblicke in die Materie für die Grundlagenforschung und für anwendungsnahe Forschung ermöglichen.

Das 2011 gegründete ESS-Kompetenzzentrum am Forschungszentrum Jülich koordiniert die Beiträge, die vom Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) und dem Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA) für Planung und Bau der ESS und der ESS-Instrumente erarbeitet werden. Innerhalb des Kompetenzzentrums entwickeln Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker Konzepte für zentrale Bestandteile der ESS: für das so genannte Target, in dem die Neutronen freigesetzt werden, sowie für wissenschaftliche Instrumente und Detektoren. Basis der Jülicher Arbeiten ist die langjährige Erfahrung in Bau, Betrieb und Nutzung von Neutronenstreuinstrumenten, die in Jülich bereits 1962 ihren Anfang nahm.

ESSDie Europäische Spallationsquelle ESS im schwedischen Lund wird etwa 650 Meter lang. 500 Meter davon verlaufen unterirdisch. Für den Bau werden mehr als 50.000 Kubikmeter Beton, 40 Kilometer Rohrleitungen und 2.000 Kilometer Kabel benötigt.
Copyright: ESS/Team Henning Larsen Architects

Die hohe Leistung der ESS stellt besondere Anforderungen an das Target und gab für die Experten der ZEA-Institutsbereiche "Engineering und Technologie" (ZEA-1) den Rahmen für die Konzeptarbeiten vor. Das Target dient in einer Spallationsanlage als Ziel für Salven von Protonen, die beim Aufprall Neutronenpulse freisetzen. Wegen der hohen Leistung der ESS entsteht bei diesem Prozess viel Wärmeenergie, die kontinuierlich abgeführt werden muss. Das ZEA hat in der so genannten "Design-Update-Phase" von 2010 bis 2014 umfangreiche Arbeiten zum Design eines gekühlten, rotierenden Targetrades aus Wolfram geleistet. Bei der anspruchsvollen Konzeption konnten die Jülicher Entwickler auf hausinterne Erfahrung aus zurückliegenden Konzeptarbeiten sowie Erfahrungen von anderen Hochleistungs-Spallationsquellen in Japan und den USA zurückgreifen. Außerdem nutzten sie Simulationsrechnungen und Tests an Prototypen.

Die ESS wird intensivere, längere Pulse erzeugen als die Spallationsquellen in Japan und den USA; ihre Frequenz von 14 Hertz ist niedriger als etwa in den USA (60 Hertz). Durch die hohe Intensität der Pulse sind an den Instrumenten viel mehr Neutronen wissenschaftlich nutzbar als an herkömmlichen Quellen. Dies eröffnet den Forschern neue Möglichkeiten, aber die Instrumente müssen an die speziellen Bedingungen der ESS angepasst werden. Deshalb konzipieren, entwickeln und bauen die Projektteams wissenschaftliche Instrumente, die genauestens auf die neue Quelle abgestimmt sind.

Die Jülicher arbeiten zum Beispiel an einem so genannten "Flugzeitspektrometer", das die Pulsstruktur der ESS besonders gut nutzen kann. Es soll neue Erkenntnisse über die Struktur und Dynamik komplexer Materialien ermöglichen, zum Beispiel über magnetische Anregungen in Hochtemperatursupraleitern.

Damit die Neutronenpulse der ESS in hochentwickelten Instrumenten optimal genutzt werden können, sind neuartige Detektoren notwendig. Sie entlocken den Neutronen Informationen über Struktur, Bewegung und gegebenenfalls magnetische Eigenschaften der untersuchten Materialproben. Viele Quadratmeter große Flächen müssen dazu präzise den Ort und Zeitpunkt des Neutronenaufpralls messen. Dies ist eine große Herausforderung, insbesondere weil bewährte Konzepte mit dem seltenen und teuren Gas Helium-3 arbeiten. Weil dieses immer teurer wird, sind neue Detektorkonzepte gefragt, an denen die Experten des ZEA-2 (Systeme der Elektronik) arbeiten. Darüber hinaus beschäftigen sie sich mit Konzepten zur Steuerungselektronik.

In der Design-Update-Phase (2010 bis 2014) förderte das BMBF die Jülicher Beiträge mit etwa sechs Millionen Euro. Weitere neun Millionen Euro gingen an die anderen beteiligten deutschen Forschungseinrichtungen. Jetzt bereiten sich die Jülicher Projektteams auf die Konstruktionsphase vor.

Ansprechpartner:

Dr. Andreas Wischnewski
Leiter des ESS-Kompetenzzentrums
Telefon: 02461/61-4749
Fax: 02461/61-2610
E-Mail: a.wischnewski@fz-juelich.de


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