Von elektrischen Speicherbauteilen über. Forschungs-Neutronenquelle

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1 Von elektrischen Speicherbauteilen über Batterien und Schweissnähte bis zu Autotüren - Industrielle Anwendungen an der Forschungs-Neutronenquelle Forschungs-Neutronenquelle TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Dr. habil. Ralph Gilles Industriekoordinator FRM II FRM II U-Bahn Ralph Gilles Tag der offenen Tür 2011

2 Der FRM II im Zentrum des wissenschaftlichen Forschungsgeländes in Garching mit U-Bahn Anschluss

3 Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz Neutronenquelle Atom Ei Neutronenleiterhalle Ost Neutronenleiterhalle West

4 Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz

5 Eigenschaften des Neutrons: - Baustein vom Atomkern - Lebensdauer von 882 Sekunden - 1,6 x kg - elektrisch neutral - magnet. Moment - Wechselwirkung mit Atomkernen Elektronen Neutron Neutron Atomkern: Neutronen + Protonen

6 Messprinzip: Quelle mit Neutronen n Objekt: Probe n Detektor: zum Aufsammeln der Neutronen Neutronen mit bestimmter Energie n Probe Neutronen mit veränderter Energie, Richtung, Rückschlüsse auf die Probe: - Struktur (chemische Zusammensetzung, Anordnung der Atome), - magnet. Eigenschaften der Probe, - Spannungen im Werkstück -... n

7 Beispiele für industrielle Anwendungen: Neutronen Elekt. Speicherbauteile Batterie Schweissnähte Autotür Bestrahlungen Struktur (Phasenanalyse) Eigenspannungen Durchleuchten (zerstörungsfrei)

8 Bestrahlungen

9 Brennelement Kühlungskanäle 7,5 kg 235 Uranium 2.5 aktive Zone mm 130 mm 229 mm 243 mm Zyklustage: 60 Tage

10 Vertikalschnitt durch das Reaktorbecken Reaktorbecken Absetzbecken innerer Kühlkreis Moderatortank Brennelement Neutronenleitertunnel mit wisenschaftlichen Instrumenten Regelstab Schnellabschaltstäbe Strahlrohr Experimentierhalle mit wisenschaftlichen Instrumenten

11 Reaktorbecken FRM II mit Bestrahlungseinrichtungen Im Regelstab RPA SDA KBA Angelschnur

12 Aufbau der Kapselbestrahlungsanlage Ladestation n n n n n n 45cm Bis zu 5 Kapsel möglich Brennelement mit Moderatortank Reaktorbecken Kühlung

13 Silizium-Dotierungsanlage am FRM II Neutronentransmutation n Si Si e - Si Si Si Si P Si Si - Si 30 Si (n, ) 31 Si 31 P + - (T 1/2 = 2,62 h) Xiaosong Li (FRM II)

14 Konzentration (ppt) Forschungs-Neutronenquelle Wie rein ist das Reinstsilizium? Ein Beispiel der NAA Nachweiswahrscheinlichkeiten 1e Ge Na Fe K Sn Cd Ni AgAs Au Cu Mo Cr Ga Zn U W Sb Co La Ta Th Eu Tb Sc 25 Elemente Xiaosong Li (FRM II)

15 Konzentration in ppm Forschungs-Neutronenquelle 1.E+05 Flugasche, Umweltverschutzung? Multielementanalyse mittels Neutronenaktivierungsanalyse (NAA) Bestimmung von 35-Elemeten auf einmal 1.E+04 1.E+03 As(76As) Ba (131Ba) Br (82Br) Ca (47Ca) Ce (141Ce) Ce (143Ce) Co (60Co) Cr (51Cr) Cs (134Cs) Eu (152Eu) Eu (154Eu) Fe (59Fe) Fe (54Mn) Gd (153Gd) Hf (181Hf) Ho (166Ho) K (42K) La (140La) Lu (177Lu) Mo (99Mo) Na (24Na) Nd (147Nd) Ni (58Co) 1.E+01 1.E+00 Rb (86Rb) Sb (122Sb) Sb (124Sb) Sc (46Sc) Se (75Se) Sm (153Sm) Sr (85Sr) Ta (182Ta) Tb (160Tb) Tm (170Tm) Th (233Pa) U (239Np) W (187W) Yb(169Yb) Yb(175Yb) Zn(65Zn) Xiaosong Li (FRM II) 1.E+02

16 Auswahl der Testobjekte Es wurden 12 SRAM marktübliche Bauelemente unterschiedlicher Hersteller, Gehäuseformen und Speichergrößen ( Mbit) untersucht. Ein Bauelement war als strahlenhart deklariert (Pos. 12) Ein Bauelement war ein Ferroelektrischer Speicher (Pos. 8) B. Gudehus (Wehrwissenschaftliches Institut)

17 Versuchsaufbau: Drei Versuchsreihen mit verschiedenen Energien der Neutronen: Bestrahlung mit Spaltspektrum-Neutronen Bestrahlung mit erhöhten Anteil thermischer Neutronen (Testaufbau mit PE umgeben) Bestrahlung mit kalten Neutronen (SR 6) B. Gudehus (Wehrwissenschaftliches Institut)

18 Auswertung: Fehler/Bit n/cm Cypress 1.7 Cypress > ohne E PE mit E PE kalte Neutr. < E 129,5 143,3 2.4 ISSI 2.7 ISSI 3.7 Renesas 4.5 Renesas 5.4 Renesas 5.7 Renesas 6.5 Renesas 7.6 Samsung 7.8 Samsung 9.1 Hynix 9.2 Hynix 10.4 Hynix 11.4 Hynix 12.4 Aeroflex 12.5 Aeroflex B. Gudehus (Wehrwissenschaftliches Institut)

19 Auswertung der Speicherbauteile Versuchsreihe mit schnellen Neutronen E 1,6 MeV Geringster Fehlerrate: 0 Fehler/10-15 Bit n/cm 2 Höchste Fehlerrate: 3,1 Fehler/10-15 Bit n/cm 2 Versuchsreihe mit therm. Neutronen E < 100 mev Geringste Fehlerrate: 0 Fehler/10-15 Bit n/cm 2 Höchste Fehlerrate: 13,7 Fehler/10-15 Bit n/cm 2 Versuchsreihe mit kalten Neutronen E < 2 mev Geringste Fehlerrate: 0 Fehler/10-15 Bit n/cm 2 Höchste Fehlerrate: 143,3 Fehler/10-15 Bit n/cm 2 B. Gudehus (Wehrwissenschaftliches Institut)

20 Struktur (Phasenanalyse)

21 Neutronen verschiedener Energie Kalte Neutronen Brennelement kalte Neutronen ultra kalte Neutronen schnelle Neutronen heisse Neutronen ungestörter Fluss 8 x n/cm 2 /s

22 Experimentierhalle

23 Neutronenleiterhalle

24 Normalized intensity Forschungs-Neutronenquelle Na-MCl2 Batterie (Kooperationsarbeit vom FRM II und GE Global Research) Stress-Spec, FRM II 2NaCl + Fe FeCl 2 + 2Na (300 C) Entladen Laden Fe Batterie NaCl BASE MCl 2 FeCl 2 M + NaCl Reaktionsfront wandert während Laden/Entladen Na Diagonalschnitt - Position (mm) Aufnahme von Messpunkten entlang der Diagonalen einer halb geladenen Batterie: -> Bestimmung der chemischen Zusammensetzung durch Abrastern mit dem Neutronenstrahl Y. Gao (GE), M. Hofmann, R. Gilles (FRM II)

25 Halbgeladen Vor dem Laden Halbgeladen Vor dem Laden Detektor Neutronenstrahl Forschungs-Neutronenquelle Bildgebendes Verfahren mit Neutronen zur Bestimmung des Na-Niveaus Zustand des Ladungszustandes Laden 2NaCl + M MCl 2 + 2Na Na-Niveau steigt beim Laden Absorption der Neutronen Position in pixel Na Na Orientierung der Zelle M. Mühlbauer (FRM II)

26 Eigenspannungen

27 Neutronenbeugung - Messaufbau Rohrabmessungen: l ges = 600 mm s Wand = m ges = 32,8 mm 140 kg Messvolumen V = 5x5x5 mm³ M. Büttner (MPI Stuttgart)

28 Neutronenbeugung - Ergebnisse Umfangsrichtung Axialrichtung Schweissnaht M. Büttner (MPI Stuttgart)

29 Neutronenbeugung - Ergebnisse Umfangsrichtung Axialrichtung M. Büttner (MPI Stuttgart)

30 Durchleuchten

31 Kooperationsprojekt mit FORD präparierte Autotür für Teststudie Versiegelung 0 % Klebstoff Füllgradanforderungen Bördelflansch 100 % Klebstoff 100 % Klebstoff I. Wehmeyer (Ford)

32 Beurteilung des Füllgrades ~40 / 0 / 0 ~60 / ~40 / 0 ~100 / ~40 / 0 I. Wehmeyer (Ford)

33 Neutronenradiographie Größe des Messfeldes: 120 * 120 mm Hinterer Teil der Tür (von innen betrachtet) Vorderer Teil der Tür (von außen betrachtet) I. Wehmeyer (Ford), B. Schillinger, R. Gilles (FRM II)

34 Validierung Neutronenradiographie 1 cm Fehlstelle I. Wehmeyer (Ford), B. Schillinger, R. Gilles (FRM II) Klebstofffronten

35 Vergleich Röntgendurchstrahlung & Neutronenradiographie Röntgendurchstrahlung I. Wehmeyer (Ford), B. Schillinger, R. Gilles (FRM II) Neutronenradiographie

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