Research Collection. PSI Jahresbericht. Journal Issue. ETH Library. Publication Date: Permanent Link: /ethz-a

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1 Research Collection Journal Issue PSI Jahresbericht Publication Date: 1988 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

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3 PSI-JAHRESBERICHT 2001 IMPRESSUM IMPRESSUM PSI-Jahresbericht 2001 Allgemeiner Teil Herausgegeben durch Paul Scherrer Institut Konzeption/Text/Redaktion Dr. Myriam Salzmann Gestaltung und Layout Irma Herzog Bildscan/-bearbeitung Christoph Schütz Produktion Luitgard Adrion Abdruck mit Quellenangabe und Belegexemplar erwünscht abrufbar unter zu beziehen bei Paul Scherrer Institut Informationsdienst CH-5232 Villigen PSI Telefon Zusätzlich zum Jahresbericht 2001, Allgemeiner Teil in Deutsch und Englisch sind für die Fachwelt Scientific Reports der PSI-Bereiche erhältlich. ÖFFENTLICHKEITSARBEIT Pressesprecher Martin Jermann Telefon Informationsbeauftragte Dr. Myriam Salzmann Telefon psi forum das Besucherzentrum des PSI Sandra Ruchti Telefon Umschlagbild Die Synchrotron Lichtquelle Schweiz, SLS, im Modell. Paul Scherrer Institut, April 2002 ISSN

4 PSI-JAHRESBERICHT 2001 Inhalt II IV Das PSI in Kürze Vorwort 1 Ereignisse Forschung Festkörper und Materialien 26 Teilchen- und Astrophysik 30 Biologie und Medizin 34 Energie und Umwelt 40 PSI: das Benutzerlabor 42 Entwicklung des PSI als Benutzerlabor 43 Forschungsanlagen hoch bewertet 44 Für den Betrieb des Ringbeschleunigers 47 Neue Möglichkeiten an der SINQ 53 Die µsr-anlagen Die SLS 2001: Stabilität und Präzision 61 Hotlabor 62 Aus- und Weiterbildung 72 Verwertung von Wissen 84 PSI in Zahlen, Organigramm, Komitees und Kommissionen

5 II PSI-JAHRESBERICHT 2001 PSI IN KÜRZE Das PSI in Kürze Das Paul Scherrer Institut ist ein multidisziplinäres Forschungszentrum für Natur- und Ingenieurwissenschaften, das national und international eng mit Hochschulen, anderen Forschungsinstituten, den Fachhochschulen und der Industrie zusammenarbeitet. Mit seinen rund 1200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern ist es das grösste nationale Forschungsinstitut und das einzige seiner Art in unserem Land. Seine Fachgebiete sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchen- und Astrophysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Das PSI konzentriert sich auf Themen, die Spitzenforschung ermöglichen, zur Ausbildung der kommenden Generation beitragen und den Weg zu einer dauerhaften und umweltgerechten Gesellschaft ebnen. Es engagiert sich für die Umsetzung neuer Erkenntnisse in der Industrie und bietet als nationales Forschungszentrum auch Dienstleistungen für Externe an. Das PSI entwickelt, baut und betreibt komplexe Grossforschungsanlagen, die speziell hohe Anforderungen an Wissen, Erfahrung und Professionalität stellen. Es ist für die nationale und internationale wissenschaftliche Gemeinschaft eines der weltweit führenden Benutzer-Labors. Die Verstärkung dieser Rolle und der Ausbau von Festkörperforschung und Materialwissenschaften sind für die Zukunft des PSI prägend und für die technologische Entwicklung und Konkurrenzfähigkeit der Schweizer Wirtschaft besonders wichtig. In den Biowissenschaften konzentriert sich das PSI auf Diagnose und Behandlung von Krebs mit Hilfe seiner einzigartigen Teilchenstrahlen sowie auf Strukturbiologie. Die Energieforschung des PSI richtet sich auf Projekte aus, die für eine sichere, wirtschaftliche und nachhaltige Energieversorgung relevant sind. In der Teilchenphysik spielt das PSI eine wichtige Rolle als Basislabor für Gross-Experimente der Schweizer Hochschulen. Die besondere Atmosphäre am PSI schafft neue Netzwerke der Zusammenarbeit über Fachgebiete und Ländergrenzen hinaus. Partner aus Hochschulen und Industrie finden hier eine Plattform für internationale, interdisziplinäre Projekte.

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7 IV PSI-JAHRESBERICHT 2001 VORWORT Vorwort Mittlerweile ist dies mein zehntes und auch letztes Vorwort zum Jahresbericht des Paul Scherrer Instituts ein kleines Jubiläum, welches ein paar Bemerkungen wert sein soll. Während der vergangenen zehn Jahre hat das PSI alle geplanten Grossprojekte mit Erfolg realisiert. Es hat heute eine klare Identität und nimmt als Benutzerlabor und nationales Forschungszentrum im Rahmen der schweizerischen Hochschullandschaft eine Sonderstellung ein. Der Gründe für diese Erfolge sind viele; an vorderster Stelle steht eine konsequente Personalpolitik in jedem der Projekte machten letztlich Personen den entscheidenden Unterschied. Im weiteren setzten wir unsere klare und langfristige Vision konsequent um, und offenbar waren die Ideen gut. Das PSI strebt Spitzenqualität an es misst sich am internationalen Standard und will an der Weltspitze mit dabei, wenn nicht gar führend sein. Alles andere würden wir als Verschleuderung von Steuergeldern ansehen. Die Auffassung «me too» berechtigt nicht, Forschungsgelder zu verwenden. Das PSI verfügt heute über modernste Forschungseinrichtungen, welche in zunehmendem Mass durch eine nationale und internationale Forschungsgemeinde genutzt werden der Markt ist vorhanden. Besonders freut uns, dass nun auch die Industrie unsere Einrichtungen nutzt. Es ist unser Ziel, den Braindrain ins Ausland zu bremsen, besser noch, zu stoppen oder gar umzukehren. Wir sind der Meinung, dass die Chancen gut stehen, wieder vermehrt ausländische Talente anzuziehen, Talente, auf welche die Schweiz dringend angewiesen ist. Am 19. Oktober hat das PSI die Synchrotronlichtquelle Schweiz die SLS eingeweiht. Dabei handelt es sich um ein Riesenmikroskop für die Strukturaufklärung in Chemie, Biologie, Physik und Materialwissenschaften. Diese Maschine setzt einen neuen Weltstandard bezüglich Brillanz bei mittlerer Energie und Kohärenz-Eigenschaften, welche für schnelle Präzisionsmessungen bei höchster Auflösung unentbehrlich sind. Die SLS erreichte die geplanten Spezifikationen auf Anhieb, und zum Teil wurden diese gar überschritten. Die Anlage wurde innerhalb des geplanten Budgets und im vorgesehenen Zeitrahmen gebaut. Nicht nur hat das PSI mit der SLS einen Der Direktor des PSI, Meinrad K. Eberle neuen Markstein gesetzt, sondern auch die Einweihungsfeier war aussergewöhnlich: Das Fest brachte die SLS einem breiten Publikum näher, doch wurde auch versucht, mittels Installationen, Geräuschen, Musik und Lichteffekten die emotionale Seite anzusprechen. Und die Reaktionen der Gäste zeigten: die Szenographie vermochte zu überzeugen und mitzureissen. Nicht zuletzt galt es auch, die kulinarische Seite zu pflegen. Emotionale Intelligenz ist vermehrt gefragt; Fachkompetenz ist fraglos von grösster Wichtigkeit, ohne soziale Kompetenz geht s aber nicht auch wäre das Leben viel zu langweilig. Die ersten Forschungsergebnisse an der SLS im August 2001 waren sehr vielversprechend. Dass an der SLS herausragende Forschung möglich ist, liegt neben der hohen Qualität der SLS auch an den aussergewöhnlichen Experimentiereinrichtungen. Stellvertretend erwähne ich die Strahllinie für Proteinkristallographie. Als multidisziplinäres Forschungsinstitut von ausreichender Grösse, kann das PSI vielfältige Synergien nutzen, was eine wesentliche Trumpfkarte ist. So verfügt das PSI über grosse Erfahrungen auf dem Gebiet des Detektorenbaus für die Teilchenphysik. Die für die SLS entwickelten Detektoren können bei höchster Auflösung extrem hohe Datenraten verarbeiten. Die SLS besitzt für derartige Anlagen weltweit einmalige Strahlqualitäten. Sie zu nutzen, ist ein Gebot der Stunde, und deshalb sollen weitere Strahllinien hinzu gebaut werden der Bedarf ist gegeben, doch bereitet die Finanzierung einige Sorgen.

8 VORWORT PSI-JAHRESBERICHT 2001 V Die Forschung an der Neutronenquelle SINQ bringt neue Erkenntnisse. Im vergangenen Jahr gelang es beispielsweise, der physikalischen Erklärung der Supraleitung, d.h. der Stromleitung ohne ohmsche Verluste, einen Schritt näher zu kommen. Neuartige Experimente erlaubten erstmals eine direkte Messung des magnetischen Gitters. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Supraleitung eher auf der magnetischen Wechselwirkung in der Materie als auf mechanischen Gitterschwingungen beruht. Die SINQ hat bei Forscherinnen und Forschern weltweit besonderes Interesse gefunden. Eine Kooperation mit dem Dänischen nationalen Forschungszentrum Risø bringt dies ebenfalls zum Ausdruck: Drei neuwertige dänische Instrumente sollen an der SINQ aufgebaut und für Experimente der Neutronenstreuung eingesetzt werden. Eine dänische Forschungsgruppe hat in Zusammenarbeit mit PSI-Fachleuten eines der neuen Instrumente ein Dreiachsen-Spektrometer (RITA II) bereits in Betrieb genommen, das nun der SINQ-Benutzerschaft für ihre Forschung zur Verfügung steht. Auch die Erhöhung des Neutronenflusses an der SINQ machte im vergangenen Jahr grosse Fortschritte. Ein Einschub für die Verdoppelung des Flusses der sehr langsamen Neutronen ist gebaut worden, und das Flüssigmetall-Target (siehe weiter unten) machte ebenfalls grosse Fortschritte. Die Auslastung der SINQ ist sehr gut, die Anlagen sind teilweise mehrfach überbucht. Das bedeutet, dass die SINQ für die nationale und internationale Forschung sehr attraktiv ist. Die Behandlung tiefliegender Tumore mit Protonen machte im Jahr 2001 einen strategisch wichtigen Schritt. Das PSI beschloss, die Anlage mit einem dedizierten Zyklotron auszurüsten, um die Patientenzahl verdreifachen, die Forschung intensivieren und neue Tumorarten behandeln zu können. Im Rahmen dieses Ausbaus entwickelt das PSI zusammen mit industriellen Partnern eine spitaltaugliche Therapieanlage, die auf der Spot-Scanning-Technik des PSI beruht. Viele Spitäler interessieren sich für die PSI- Technik, und wir hoffen, dass es in nicht allzu ferner Zukunft gelingen wird, eine erste Anlage ausserhalb des PSI zu realisieren. Ohne eine massgebliche Unter- stützung durch groszügige Sponsoren wäre das PSI nicht in der Lage, die Protonentherapie auszubauen allen Sponsoren sei auch an dieser Stelle herzlich gedankt. Erfreulich ist ferner die Tatsache, dass unserem Antrag, die Protonentherapie für besonders geeignete Indikationen in die Leistungspflicht der obligatorischen Krankenversicherung aufzunehmen, vom Bundesrat entsprochen worden ist. Ab Januar 2002 wird unsere weltweit einmalige Protonentherapie vermutlich der Standard von morgen für schwierige Therapiefälle durch die Krankenkassen bezahlt. Bisher hat das PSI seine Aufwendungen für die Patientenbehandlungen aus eigenen Mitteln gedeckt. In der Schweiz ist die Kernenergie mit einem Marktanteil von 40% auch in Zukunft für die Stromversorgung von grosser Bedeutung. Mit der Absicht, im Kernenergiegesetz die Lebensdauer von Kernkraftwerken nicht zu beschränken, kommt der Materialforschung eine grössere Bedeutung zu. Und selbstverständlich ist nach wie vor der Endlagerung radioaktiver Abfälle grosse Aufmerksamkeit zu schenken. Mit zunehmend besseren Ergebnissen gelingt es am PSI, die Ausbreitung radioaktiver Substanzen in verschiedenem Wirtgestein zu berechnen. Dies ist eine notwendige Voraussetzung für die Beurteilung der Sicherheit von möglichen Endlagerstätten. Die Kenntnisse des Forschungsbereichs Nukleare Energie und Sicherheit nutzt das PSI zunehmend generisch. Er ist beispielsweise für das breit angelegte, international abgestützte Projekt MEGAPIE mitverantwortlich. Dabei handelt es sich um den Test eines Flüssigmetall-Targets, welches einem sehr hohen Protonenstrom mit einer Leistung von nahezu 1MW th ausgesetzt wird. Es soll in der Neutronenquelle SINQ eingesetzt werden, um den Neutronenfuss weiter zu erhöhen. Die Technik wird in der Wissenschaft weltweit diskutiert, denn sie könnte ermöglichen, mit Hilfe eines hohen Neutronenflusses durch sogenannte Transmutation die Toxizität von stark radioaktiven Substanzen zu verringern. Der Bereich Nukleare Energie und Sicherheit ist aber auch federführend für den Bau der Mikro-XAFS-Strahllinie, welche an der SLS für die Material- und Umweltforschung geplant ist, beides Themen, die auch bei der Kernenergie von grösster Wichtigkeit sind.

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10 VORWORT PSI-JAHRESBERICHT 2001 VII In der allgemeinen Energieforschung gelang die Realisierung eines ehrgeizigen Projekts: der erstmalige Bau eines Brennstoffzellenantriebs in Kombination mit Superkondensatoren, was in konventionellen Personenwagen eingesetzt einen hohen Leistungstransfer ermöglicht. Auf diese Weise gelingt es, bei vergleichsweise kleiner Brennnstoffzellenleistung eine hohe Dynamik des Fahrzeugs zu realisieren und gleichzeitig die Voraussetzung zu schaffen, Bremsenergie mit hohem Wirkungsgrad zu rekuperieren. Daraus könnte ein Fahrzeug mit sehr guter Brennstoffökonomie resultieren in diesem Fall mit Wasserstoff als Energieträger. Das PSI hat das Projekt in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich, der ETH Lausanne, den Firmen montena ag, FEV Motorentechnik GmbH in Aachen und dem VW-Konzern mit finanzieller Unterstützung durch das Bundesamt für Energie und die AMAG AG realisiert. Viele reden heute von Brennstoffzellen, wenige realisieren solche und noch seltener wird ein Gesamtprojekt wie dieses realisiert. Dem PSI brachte es neue Erkenntnisse, welche für die Weiterentwicklung von Brennstoffzellen von grosser Bedeutung sein werden. Doch es wird noch eine Weile dauern, bis Brennstoffzellenfahrzeuge in grösserem Umfang auf dem Markt erscheinen werden. Der Verbrennungsmotor obwohl vor über 100 Jahren erfunden ist noch keineswegs am Ende seiner Entwicklung. Die Diskussion um den Brennstoffzellenantrieb gibt ihm einen neuen Entwicklungsschub. Mit dem Projekt «China Energy Technology Program» hat das PSI, in Zusammenarbeit mit den ETHs, dem MIT und der Tokio University im Rahmen der «Global Alliance for Sustainability» und finanziert durch die ABB, wesentliche Beiträge geleistet. Wichtig ist die neue Erkenntnis, dass der Ausbau des chinesischen Stromversorgungssystems, unter Berücksichtigung der externen Kosten, gesamthaft deutlich billiger wird, wenn die bisherigen Stromproduktionstechniken in China durch modernste Methoden ersetzt werden, obwohl die Investitionskosten dafür höher sind. Technologietransfer wird für die Wirtschaft und das PSI-Budget zunehmend wichtiger werden. Auch hier sind Fortschritte zu verzeichnen. Alle Spin-off-Firmen des PSI gedeihen und verdienen teilweise gutes Geld in der New Economy waren wir nicht engagiert. Um die Partnerschaft zwischen Wirtschaft und PSI zu stärken, schuf das PSI Ende 2001 die Basis zur Gründung des Vereins «PSI-Impuls». Erfreulicherweise ist es gelungen, namhafte Persönlichkeiten aus der Wirtschaft für unseren im Januar 2002 gegründeten Verein zu gewinnen. Ein Blick in den vorliegenden Jahresbericht belegt die Vielfalt der Aktivitäten des PSI eines PSI, welches sich in den vergangenen Jahren verstärkt zu einem Benutzerlabor entwickelt hat, das zudem in der Energieforschung sehr stark engagiert ist. Die Teilchenphysik erzielte im Berichtsjahr bemerkenswerte neue Resultate; erstmals wurde z.b. ein seltener Zerfall (Betazerfall) des Pions auf genauer als 1% gemessen. Dies trägt zum besseren Verständnis der Theorie der Elementarteilchen bei. Auch die Biowissenschaften heute ebenfalls eng mit den grossen Forschungseinrichtungen des PSI verbunden verzeichnen grosse Fortschritte. Doch das PSI könnte ohne starke Unterstützung nicht florieren. In diesem Zusammenhang sei dem ETH- Rat, dem Departement des Innern und den eidgenössischen Räten dafür gedankt. Ein weiterer Dank geht an die Kollegen der übrigen fünf Institutionen des ETH-Bereichs, haben sie doch einen namhaften Beitrag zur Finanzierung der SLS geleistet. Wichtige Arbeit haben auch in diesem Berichtsjahr die verschiedenen Kommissionen wieder erbracht; allen voran die international besetzte Plenar-Forschungskommission, welche für die Qualitätssicherung der PSI-Forschung unschätzbare Dienste leistet. Schliesslich sollen unsere stets wichtiger werdenden industriellen Partner und Sponsoren ebenfalls nicht unerwähnt bleiben ohne sie wäre das PSI nicht, was es heute ist. Und zuletzt möchte ich die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des PSI ebenfalls erwähnen ohne diese würde am PSI gar nichts laufen! Ihnen gebührt mein aufrichtiger Dank. Nach zehn abwechslungsreichen Jahren werde ich in ein paar Monaten die Leitung des PSI in jüngere Hände übergeben. Es ist Zeit dafür, denn ich erinnere mich zunehmend des Satzes in Goethes Faust: «Werd ich zum Augenblicke sagen: Verweile doch! Du bist so schön!». Am 12. September 2001 hat der Bundesrat Ralph Eichler zu meinem Nachfolger gewählt. Er wird am 1. Juli 2002 seine neue Funktion antreten. Wir freuen uns alle auf seinen Amtsantritt und ich wünsche ihm und dem PSI viel Glück und Erfolg. Meinrad K. Eberle, Direktor

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12 EREIGNISSE 2001 PSI-JAHRESBERICHT ereignisse Ereignisse 2001

13 2 PSI-JAHRESBERICHT 2001 EREIGNISSE 2001 Offene Türen bei der Energieforschung Die Energienutzung und deren Folgen für die Umwelt sind globale, ganzheitliche Themen. Entsprechend breitgefächert ist die Energie- und Umweltforschung des PSI. Die PSI-Fachleute engagieren sich für den nachhaltigen Umgang mit Energie und Umwelt, denn die Folgen der heutigen Energieversorgung erfüllen sie mit grosser Sorge. Am 16. Mai 2001 gab das PSI an einer Pressekonferenz den zahlreich erschienenen Medienleuten einen Überblick über seine Energieforschung und bot ihnen Gelegenheit, Projekte und Anlagen zu besichtigen. Der Direktor des Bei den Vertreterinnen und Vertretern der Medien war das Interesse für die Energieforschung des PSI erfreulich gross und die Berichterstattung entsprechend informativ.

14 EREIGNISSE 2001 PSI-JAHRESBERICHT PSI, Meinrad K. Eberle, sprach über die Problematik der Klimaerwärmung und rief eindringlich zu konkretem Handeln auf. Die Leiter der beiden Energieforschungsbereiche des PSI, Wolfang Kröger und Alexander Wokaun, stellten die Bedeutung der nuklearen, der fossilen und der erneuerbaren Energien für die Nachhaltigkeit dar. Das PSI öffnete zudem am Sonntag, 20. Mai 2001, seine Tore für die breite Bevölkerung. Viele Interessierte kamen, um sich ein eigenes Bild über die PSI-Energieforschung zu machen. Im Besucherzentrum, dem psi forum, war bei dieser Gelegenheit erstmals die neue Energieschau zu sehen. Am Tag der offenen Türe zur PSI-Energieforschung reichten die Fragen der Bevölkerung von der Speicherung der Sonnenenergie und der nachhaltigen Mobilität eines Brennstoffzellenfahrzeugs bis zur Sicherheit der Kernkraftwerke und der Endlager für radioaktive Abfälle.

15 4 PSI-JAHRESBERICHT 2001 EREIGNISSE 2001 Ein schweres Element faszinierte die Fachwelt Forscher aus der Gruppe, welche den Detektor und die Elektronik des PSI im Hintergrund nutzten, um die einzelnen Hassium-Atome nachzuweisen. Dank neuartigen Experimentiermethoden des PSI und der Universität Bern und dank den intensiven Teilchenstrahlen am Beschleuniger der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt, fand im Jahr 2001 das schwere Element Hassium seinen Platz im Periodensystem. Es wurde in einer internationalen Zusammenarbeit von Radiochemiegruppen aus der Schweiz, aus Deutschland, den USA, Russland und China unter der Leitung des PSI und der Universität Bern chemisch untersucht. Dabei gelang es, anhand von nur sechs Atomen, Hassium in die achte Gruppe des Periodensystems einzuordnen. Es ist mit der Atomzahl 108 nun das schwerste bisher untersuchte Element. Für vieles nützlich: Neutronenradiogaphie Im Jahr 2001 trafen sich rund 70 Fachleute am PSI, um ihre Erfahrungen über die Neutronenradiographie die Durchleuchtung mit Neutronen auszutauschen. Es zeigte sich deutlich, wie breit und nützlich die Anwendungen dieser Experimentiermethode sind. Die Untersuchungsobjekte reichen von Baustoffen, Gestein und Holzstrukturen bis zu neuen Materialien und technischen Komponenten. Die modernen Anlagen und Detektoren für Neutronenradiographie am PSI gehören international zur Spitze. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Workshops über Neutronenradiographie am PSI besichtigten die Experimentieranlagen an der Neutronenquelle SINQ.

16 EREIGNISSE 2001 PSI-JAHRESBERICHT Festival des Wissens Im Mai 2001 wollten Forscherinnen und Forscher in der ganzen Schweiz mit der Bevölkerung ins Gespräch kommen. So auch beim Zürcher Festival des Wissens, das wie alle diese Anlässe unter dem Patronat der Stiftung «Science et Cité» stand. Am 4. Mai 2001 eröffnete Bundesrätin Ruth Dreifuss in der Halle des Hauptbahnhofs Zürich das Festival für die ganze Schweiz. Während der folgenden drei Tage kamen schätzungsweise Besucherinnen und Besucher in die Bahnhofhalle, um die Forschenden zu befragen. Zu einem wirklichen Dialog kam es wohl nur bei besonders günstigen Gelegenheiten. Das PSI war im Zürcher Hauptbahnhof mit vier Themen vertreten: Es präsentierte innovative Verfahren zum Recycling von Schwermetallen und zur Speicherung von Sonnenenergie in Zink sowie gemeinsam mit der ETHZ das Hybridfahrzeug, welches im Stadtverkehr nur halb so viel Benzin verbraucht wie ein normales Auto. Beim vierten Thema konnten die Besucherinnen und Besucher direkt beobachten, wie mit dem PSI-Messfahrzeug die Luftschadstoffe in der Umgebung des HB Zürich registriert wurden. Das Messfahrzeug, mit dem das PSI am Festival des Wissens in der Zürcher Bahnhofhalle präsent war, löste viele Gespräche über Luftverschmutzung und die Schonung der Umwelt aus.

17 6 PSI-JAHRESBERICHT 2001 EREIGNISSE 2001 HESSI Schweizer Präzision für die Erforschung der Sonne Das Ziel von HESSI, einem Satelliten der NASA, ist die Beobachtung der gewaltigen Explosionen auf der Sonne (Flares), welche die Fachwelt bisher nicht erklären kann. Die Beiträge einer Forschungsgruppe des PSI ermöglichen neue Erkenntnisse mit HESSI, da ihr Know-how die notwendige Präzision und Stabilität der Messgeräte garantiert. Sie lieferte ihren Beitrag termingerecht und den Anforderungen entsprechend in die USA ab. Beigesteuert hatte sie die hochpräzisen Instrumente zur genauen Lagebestimmung von HESSI im Weltraum und zur Abbildung der Flares. Zudem hatte sie einen Computer gebaut und auf HESSI installiert, welcher die Daten intelligent und sehr schnell rund tausendmal reduziert, bevor sie zur Erde geschickt werden. Der Zusammenbau des Satelliten HESSI erforderte grosses Fachwissen und aussergerwöhnliche Sorgfalt. Statt im Juni 2000, wie ursprünglich geplant, wurde HESSI (High Energy Solar Spectroscopic Imager) nach missglückten Vibrationstests in den USA und wegen Problemen bei der Trägerrakete im Februar 2002 endlich auf die Erdumlaufbahn geschickt.

18 EREIGNISSE 2001 PSI-JAHRESBERICHT Konferenz über intelligente Krebsbekämpfung Am PSI entwickelt eine Forschungsgruppe mit Erfolg neue Präparate zur Entdeckung oder Behandlung von besonders heimtückischen Tumoren. Manche dieser sogenannten Radiopharmaka werden bereits klinisch erprobt. Zu diesem Themenkreis fand im Juni 2001 in Interlaken eine internationale Konferenz statt, welche das PSI organisiert hatte. Rund 640 Fachleute aus der ganzen Welt besuchten diese vierzehnte Radiopharmazie-Konferenz. Eine Rekordteilnahme, die eine strikte Auswahl der Referate erforderte und damit hohe Qualität garantierte. PSI-MitarbeiterInnen, welche die Konferenz über Radiopharmazie in Interlaken organisierten, und andere TeilnehmerInnen. Ein Treffen Schweiz / Dänemark Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer des ersten Workshops Schweiz/ Dänemark über Neutronenstreuung am PSI. Die Zusammenarbeit zwischen dem PSI und dem Risø National Laboratory, Dänemark, wurde mit dem Aufbau von Instrumenten aus Dänemark an der Neutronenquelle SINQ intensiviert. Im November 2001 fand am PSI der erste Workshop über gemeinsame wissenschaftliche Projekte der Neutronenstreu- ung statt. 57 Personen nahmen daran teil, 19 aus Dänemark, 32 aus der Schweiz und 6 aus anderen Ländern Europas. Das Treffen bot jungen Forscherinnen und Forschern Gelegenheit, ihre Arbeit zu präsentieren, und es zeichnete sich durch lebhafte und fruchtbare Diskussionen aus.

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20 EREIGNISSE 2001 PSI-JAHRESBERICHT Erste Messungen an der SLS Die SLS ist ein riesiges Mikroskop, dessen Synchrotronlichtstrahlen sich für Experimente auf zahlreichen Gebieten einsetzen lassen; z.b. bei der Untersuchung neuartiger Materialien für moderne Technologien, bei der Erforschung von Proteinen für die gezielte Entwicklung von Arzneimitteln oder in der Energie- und Umweltforschung. Fachleute des PSI haben gemeinsam mit externen Gruppen bereits im Sommer 2001 an der SLS Messungen durchgeführt. Die Qualität des Synchrotronlichts und der Messinstrumente war schon zu diesem Zeitpunkt beeindruckend, und diese ersten Testmessungen zeigten, dass die SLS hält, was das PSI versprochen hat. Die Fachleute konnten schon im Sommer 2001 erste Messungen an der SLS durchführen.

21 10 PSI-JAHRESBERICHT 2001 EREIGNISSE 2001 Die Einweihung der SLS Im Beisein von Bundesrätin Ruth Dreifuss wurde am 19. Oktober 2001 die SLS feierlich eingeweiht. Die SLS ist ein Meilenstein der modernen Forschung; in ihrem Energiebereich und mit ihren Experimentierapparaturen ist sie Weltspitze. Die PSI-Fachleute hatten die SLS entsprechend dem Zeitplan und innerhalb der budgetierten Kosten gebaut und erfolgreich in Betrieb genommen. Mit ihren hervorragenden Eigenschaften ermöglicht die SLS eine neue Klasse von Experimenten in Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaften. Sie steht nun den Universitäten und der Industrie für ihre Forschung zur Verfügung. Mit Stolz und Dankbarkeit für das gelungene Werk konnte Die Atmosphäre der SLS-Einweihung sprach die zahlreichen Gästen aus Wissenschaft, Politik und Wirtschaft auch auf emotionaler Ebene an.

22 EREIGNISSE 2001 PSI-JAHRESBERICHT das PSI daher am 19. Oktober 2001 die SLS einweihen. Der PSI-Direktor, Meinrad K. Eberle, wies darauf hin, dass Entwicklung und Bau dieser Forschungsanlage ein bemerkenswertes Beispiel für eine präzise und zuverlässige Teamarbeit sei. Er zeichnete den Weg des SLS-Projekts nach. Dieser habe dank unermüdlicher Überzeugungsarbeit bei Entscheidungsträgern aus Hochschulen, Politik und Wirtschaft von einer breiten Ablehnung zu einem ebenso breiten positiven Entscheid geführt. Dafür sprach er allen Engagierten seinen herzlichen Dank aus. Dank und Anerkennung für die grossartige Leistung erhielt das PSI seinerseits von Frau Bundesrätin Ruth Dreifuss und den anderen Referierenden. Das PSI konnte an der Medienkonferenz zur SLS- Einweihung eine erfreulich grosse Zahl von Journalistinnen und Journalisten begrüssen und freute sich über das breite und ausnahmslos positive Medienecho. Zeitungen, Fernsehen und Radio würdigten die Bedeutung der SLS für die Forschungswelt.

23 12 PSI-JAHRESBERICHT 2001 EREIGNISSE 2001 Ein Dank an die Sponsoren des PSI Nur die namhafte Sponsorenunterstützung ermöglichte es dem PSI, sein Besucherzentrum, das psi forum, zu realisieren. Und auch das Projekt PROSCAN zur Erweiterung der Tumortherapie mit Protonen kann das PSI nun dank Sponsoring in die Tat umsetzen. Am 30. November 2001 lud das PSI daher seine Sponsoren zu einem festlichen Abend ans PSI ein. Mit einem Nachtessen aus der anerkannten PSI-Personalküche, begleitet von Musik und anderen Überraschungen, dankte das PSI den Eingeladenen, ihren Firmen, Organisationen und Stiftungen für ihre Grosszügigkeit. Interessiert liessen sich die Gäste am Sponsorenabend über den Erfolg des psi forums und den Stand des Projekts PROSCAN informieren, zu deren Realisierung sie finanziell beigetragen hatten.

24 EREIGNISSE 2001 PSI-JAHRESBERICHT Über die Sicherheit von Endlagern Geologische Endlager sollen verhindern, dass radioaktive Abfälle die Biosphäre erreichen. Ein Projekt im 5. Rahmenprogramm der EU widmet sich der Mobilität von Radionukliden im Endlager und in den umgebenden Gesteinsschichten. Daran nehmen Forschungsinstitute und Universitäten aus Dänemark, Deutschland, Grossbritannien, Schweden, der Schweiz und Spanien teil. Das Ziel ist es, durch ein besseres Verständnis Vertrauen in die Endlagersicherheit unter verschiedenen Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Workshops über die Sicherheit der geologischen Endlager. möglichen Szenarien zu gewinnen. Im Jahr 2001 fand dazu am PSI ein Workshop statt. Der kleine Teilnehmerkreis von 24 Personen aus 15 europäischen Organisationen erlaubte eine intensive Diskussion. Für die Energieversorgung der Zukunft Das PSI organisierte zum zweiten Mal ein eintägiges Symposium zum Thema Energietechnologien für eine nachhaltige Zukunft. Dieses Mal ging es um Fragen der zukünftigen Versorgung mit Brenn- und Treibstoffen, wie z.b. mit dem nachhaltig erzeugten Wasserstoff. Dieser Energieträger könnte für die Zukunft, beispielsweise in Brennstoffzellenfahrzeugen, eine grosse Bedeutung gewinnen. Nach wie vor sind aber Probleme wie die Produktion des Wasserstoffs aus Sonnenenergie und seine sichere und wirtschaftliche Speicherung eine grosse Herausforderung für die Forschung. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Symposiums vom hatten Gelegenheit, Forschungsanlagen des PSI hier den Solarkonzentrator zu besichtigen.

25 14 PSI-JAHRESBERICHT 2001 EREIGNISSE 2001 Gletschereis aus Sibirien Das schweizerisch-russische Forschungsteam auf dem sibirischen Belukha-Gletscher. Im Sommer 2001 erreichten 15 Kisten mit 900 kg Gletschereis aus Sibirien die Schweiz. In einer Expedition hat ein Team des PSI und der russischen Akademie von Barnaul unter der Leitung einer PSI-Forscherin das Eis dem 4000 m hoch gelegenen Belukha-Gletscher im sibirischen Altai-Gebirge mit einem Spezialbohrer entnommen. Die Eisbohrkerne wurden dann unter grossem logistischem Aufwand in die Schweiz transportiert. Die schweizerischrussische Forschungsgruppe kann dieses Gletschereis als Archiv zur Dokumentation der Luftverschmutzung nutzen. Sie analysiert es nun mit hochempfindlichen Instrumenten und rekonstruiert daraus den historischen Verlauf verschiedener Schadstoffe im Altai-Gebirge.

26 EREIGNISSE 2001 PSI-JAHRESBERICHT Luftschadstoffe am Gotthard Im August dieses Jahres hat eine Gruppe des PSI gemeinsam mit Forschungsgruppen aus ganz Europa während eines Monats die Auswirkungen des alpenquerenden Verkehrs auf die Luftschadstoffbelastung in der Leventina untersucht. Mit Flugzeugen und Messmobilen erforschten sie die Prozesse, welche zur Bildung von Ozon und winzigen Teilchen, sogenannten Aerosolpartikeln, führen. Dazu haben sie Messdaten an verschiedenen Orten und zu unterschiedlichen Zeiten gesammelt. Nach dem tragischen Ereignis im Gotthardstrassentunnel im Oktober 2001 wurde dieser gesperrt. Die Forschungsgruppe hat im Dezember bei dieser veränderten Verkehrssituation auch entlang der Gotthardund der San Bernardino-Strecke die Luftschadstoffe gemessen. Die Messkampagne zur Erforschung der Luftschadstoffemissionen des alpenquerenden Verkehrs fand auf dem Boden und in der Luft statt. Oben das Flugzeug der MetAir (Foto MetAir AG, Roger Baer), unten das Messmobil des PSI (Foto PSI).

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28 FORSCHUNG 2001 PSI-JAHRESBERICHT forschung Forschung 2001 Festkörper und Materialien Teilchen- und Astrophysik Biologie und Medizin Energie und Umwelt

29 18 PSI-JAHRESBERICHT 2001 FORSCHUNG 2001 Festkörper und Materialien Forschung am brennenden Eis Methanhydrat (brennendes Eis) zersetzt sich bei Raumtemperatur in seine Bestandteile, in brennbares Methangas und Wasser (Bild: GEOMAR, Kiel). Neutronen-Flugzeitspektrometer FOCUS an der Neutronenquelle SINQ. Damit wurden die Gitterschwingungen eines Hydrats aufgenommen. Die Auswertung solcher Messungen gestattet Aussagen über die mikroskopische Dynamik in den Hydraten. Methanhydrat ist eine Verbindung, bei der Methangas (CH 4) in Käfigen aus Eismolekülen eingeschlossen ist. In reiner Form ist Methanhydrat schneeweiss und zersetzt sich bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck in seine Bestandteile Wasser und brennbares Methangas. Deshalb wird es auch brennendes Eis genannt. Es kommt weltweit im Meeresgrund in Wassertiefen von 500 m und vereinzelt auch in Dauerfrostböden vor. In den Sedimenten der Ozeane wirkt es wie Zement und verleiht dem Meeresboden eine große Festigkeit und Stabilität. Da sein natürliches Vorkommen sehr verbreitet ist, sind die darin gespeicherten Mengen an Kohlenstoff riesig und übertreffen nach Schätzungen die zur Zeit bekannten Kohlenstoffmengen fossiler Brennstoffe bei weitem. Damit ist dieses Methanhydrat einerseits ein vielversprechender Energievorrat, aber gleichzeitig ist es eine Klimagefahr, da Methan auch ein gefürchtetes Treibhausgas ist. Gefahren und Nutzen des Methanhydrats sind aber nur genauer zu beurteilen, wenn seine Eigenschaften besser verstanden sind. Und diese wiederum hängen von den mikroskopischen Strukturen und dem dynamischen Verhalten der Verbindung ab. Experimente mit Neutronenstreuung können ein solches mikroskopisches Verständnis liefern. Forschende der Universitäten Dortmund, Kiel und Ottawa sowie des PSI setzten dazu im vergangenen Jahr das Instrument FO- CUS (links) an der Neutronenquelle SINQ am PSI ein. Sie haben damit die Gitterschwingungen eines Hydrates gemessen. Mit diesen Ergebnissen können sie eine sehr wichtige physikalische Eigenschaft der Hydrate, nämlich ihre niedrige Wärmeleitfähigkeit, tiefergehend verstehen.

30 FORSCHUNG 2001 PSI-JAHRESBERICHT Festkörper und Materialien Hochtemperatursupraleiter: von der mikroskopischen zur mesoskopischen Welt Mikroskopisch betrachtet können Austausch-«Teilchen» zwischen Elektronen Anziehungskräfte erzeugen und so die elektronischen Eigenschaften des Metalls in einer Verbindung grundlegend verändern. Die Elektronen werden in Paaren, sogenannten Cooperpaaren, gebunden, und das Material wird supraleitend d.h. es leitet den elektrischen Strom ohne Verlust. Für einfache Metallverbindungen zeigte sich, dass die Wechselwirkung nahezu isotrop, d.h. in alle Richtung praktisch gleich ist. In komplizierteren Materialien, z.b. in sogenannten Kupraten, werden exotischere Wechselwirkungen vorgeschlagen, um die supraleitenden Eigenschaften zu erklären. Diese wären stark anisotrop, d. h. richtungsabhängig. Wenn Forschende magnetische Eigenschaften von Supraleitern mit Neutronen auf einem mesoskopischen Niveau, d. h. im Bereich von ca Ångström studieren, gewinnen sie indirekt Informationen über den «Leim», der die Elektronen als Cooperpaare zusammenhält. Denn ein äusseres Magnetfeld wirkt sich in der Probe unterschiedlich aus. Die Magnetfeldlinien können beispielsweise Flusslinien-Gitter bilden, die je nach den Eigenschaften des supraleitenden «Leims» eine andere Symmetrie zeigen. Mit dem Instrument SANS an der Neutronenquelle SINQ hat eine Forschungsgruppe ein solches geordnetes Flusslinien-Gitter erstmals an einer Probe aus La 2-xSr xcuo 4, gemessen. Dieses Material gehört zur Familie jener Hochtemperatursupraleiter, welche die Nobelpreisträger Bednorz und Müller entdeckten. Bei genügend hohem Magnetfeld und sehr tiefer Temperatur zeigt das Streumuster der Neutronen eine ungewöhnliche vierfache Symmetrie (Grafik). Bisher wurde in Hochtemperatursupraleitern noch nie ein Flussliniengitter dieser Art gesehen, und die Messungen deuten auf eine anisotrope Wechselwirkung hin. Diese Arbeiten wurden in einer Zusammenarbeit des PSI mit den Universitäten Birmingham (UK), St. Andrews (UK) und Hokkaido (J) durchgeführt. Detektor-Pixel Detektor-Pixel Supraleiter: Materialien, die den elektrischen Strom ohne Widerstand leiten 1 Ångström = 1Å = 1 / 10 Nanometer = 1 / 10 Millionstel Millimeter SANS = Small Angle Neutron Scattering Hochtemperatursupraleiter: leiten den elektrischen Strom ohne Widerstand bei höheren Temperaturen als die gewöhnlichen Supraleiter Neutronenstreubild des Flusslinien-Gitters in La 2-xSr xcuo 4, gemessen bei einem Magnetfeld von 0.5 Tesla und einer Temperatur von 5K. Mit SANS (im Hintergrund) wurden auch die Experimente am Hochtemperatursupraleiter La 2-xSr xcuo 4 durchgeführt. SANS ist speziell dafür ausgelegt, Neutronen zu messen, die unter kleinen Winkeln gestreut werden.

31 20 PSI-JAHRESBERICHT 2001 FORSCHUNG 2001 Mesophase: ist eine komplexe Zustandsstruktur, die zwischen oberflächenaktiven Substanzen und dem Lösungsmittel entsteht, z. B. Doppelschichten, welche durch Wasserschichten getrennt sind. Myonenspin-Resonanz: Messmethode, bei der Myonen als Sonden Information über Struktur und Dynamik in einer Probe liefern. Wasserschicht Kopfgruppen Kohlenwasserstoffketten Oben: Oberflächenaktive Substanzen mit lamellenartiger Struktur, die abwechslungsweise aus Wasser und aus Seifenmolekülen bestehen. Ein solches Element enthält rund Moleküle. Unten: Messung an Proben mit Myonen als Sonden bei verschiedenen Magnetfeldern und Temperaturen. Aus den Einzelheiten und den Veränderungen solcher Messergebnisse erhalten die Forschenden Informationen über das Verhalten von Substanzen in Waschmitteln Magnetfeld [G] Festkörper und Materialien Substanzen in Seifen mit Myonen untersucht Seifen, flüssige Waschmittel und Waschpulver enthalten oberflächenaktive Substanzen. Das sind Moleküle mit Doppelcharakter, die eine wasserlösliche Kopfgruppe und lange fettähnliche und somit wasserunlösliche Kohlenwasserstoffketten enthalten (Grafik). Die molekulare Struktur bestimmt den Zustand, welcher sich in konzentrierten wässerigen Lösungen bildet. Diese sogenannte Mesophase ist ein komplexer Zustand, am ehesten den Flüssigkristallen ähnlich. Weil diese Struktur z.b. die Fliesseigenschaften des unverdünnten Produkts beeinflusst, muss sie gesteuert werden können. Die Struktur der Einzelmoleküle bestimmt auch deren Löslichkeit in Wasser oder Fetten. Um den gewünschten Reinigungseffekt zu erhalten, werden oft mehrere oberflächenaktive Substanzen gemischt, was komplizierte Mesophasenstrukturen zur Folge haben kann. Um sicherzustellen, dass z.b. das Konzentrat noch aus der Flasche gegossen werden kann, ist es wichtig, das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten und die entstehenden Strukturen zu verstehen. Am PSI steht dafür eine geeignete Methode, die sogenannte Myonenspin-Resonanz, zur Verfügung, bei der Myonen als Sonden eingesetzt werden. Zwei Forschungsgruppen vom Unilever Research Port Sunlight Laboratorium und von der Universität Stuttgart haben dieses Verfahren an einer Anlage am PSI (Foto) erfolgreich genutzt. Die aus den Myonen mit den Zusatzstoffen gebildeten Reaktionsprodukte liefern dabei sozusagen einen Fingerabdruck, welcher Informationen über ihre Dynamik und die Art ihrer Umgebung im Inneren der Probe enthält. Es zeigt sich damit vor allem, ob die Zusatzstoffe eine wässerige oder eine fettähnliche Umgebung bevorzugen. Mit diesem Projekt setzten die Fachleute diese Methode erstmals in einem unmittelbar industrierelevanten Zusammenhang ein. Die Messtechnik mit Myonen ist für derartige Untersuchungen bisher die einzige direkte Methode, bei der keine zusätzlichen komplizierten chemischen Markierungen notwendig sind. Anlage am PSI, an der Seifensubstanzen mit Myonen untersucht wurden.

32 FORSCHUNG 2001 PSI-JAHRESBERICHT Festkörper und Materialien Eine besondere Art von Gläsern Es gibt verschiedenartige magnetische Ordnungen. Die bekannteste ist der Ferromagnetismus, bei dem im niedrigsten Energiezustand alle Spins der Atome und damit die magnetischen Momente parallel ausgerichtet sind. Magnetismus findet eine Vielzahl von Anwendungen, angefangen vom Elektromotor bis zu magnetischen Datenspeichern. Es gibt aber auch Materialien, bei denen die Wechselwirkung zwischen den atomaren magnetischen Momenten zufällig ist und diese Fälle sind in der Natur häufiger als die geordneten. Wird ein solches Material, beispielsweise eine Mangan-Kupfer-Legierung, auf tiefe Temperaturen gekühlt, erstarren die Spins und damit auch die Magnetchen. Sie frieren in einer zufälligen Orientierung ein, ganz so wie die Moleküle beim Entstehen von normalem Glas. Daher der Name «Spin-Gläser». Das Interesse an der Erforschung ihrer Eigenschaften ist ausserordentlich gewachsen, weil ihr Verhalten mit jenem von neuronalen Netzwerken vergleichbar ist, und somit die Theorie der Spin-Gläser dort ebenfalls angewendet werden kann. Spin: Eigendrehimpuls eines Elementarteilchens Myon: ein dem Elektron sehr ähnliches aber schwereres Elementarteilchen 1 Nanometer =1nm = 1 Millionstel Millimeter kleiner, aber die Art des Einfrierens veränderte sich drastisch: in Schichten, die 10 Nanometer oder dünner sind, frieren die Spins nicht mehr ein! Das lässt sich anschaulich mit einem extrem dünnen Blatt aus normalem Glas vergleichen, das nicht zerbricht, wenn es gebogen wird. Am PSI verwendet eine Forschungsgruppe Myonen als magnetische Sonden, um solche Spin-Gläser zu untersuchen. Die Myonen sind selber winzige Magnetchen, die über das Magnetfeld im Inneren eines Materials, in das sie eingepflanzt werden, Auskunft geben können. Damit wurde bereits früher das Einfrieren der Spins in der Mangan- Kupfer-Legierung eindeutig beobachtet. Aber die Frage, was in einer extrem dünnen Probe geschieht, konnte erst vor kurzem untersucht werden. Eine einzigartige Apparatur am PSI liefert Myonen von so kleiner Geschwindigkeit, dass sie in einer Schicht von höchstens 30 Atomlagen stoppen. Und das Resultat ist überraschend. Die Gefriertemperatur wurde mit abnehmender Filmdicke nicht wesentlich An dieser einzigartigen Experimentieranlage, dem Low Energy Myon Spectrometer, können Messungen mit Myonen von extrem kleiner Geschwindigkeit durchgeführt werden. Damit sind Untersuchungen an sehr dünnen Filmen möglich.

33 22 PSI-JAHRESBERICHT 2001 FORSCHUNG 2001 Festkörper und Materialien Wieso sind Defekte in nanokristallinem Material seltener? nanokristallin: ein Material ist nanokristallin, wenn die Korngrössen seiner Kristalle im Bereich von Nanometern liegen, ein Einkristall enthält keine Körner 1nm = 1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter Energieeinheiten: 1eV = 1 Elektronvolt, ist jene Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es eine Potentialdifferenz von 1Volt durchquert 1 kev = 1000 ev 1 MeV = 1000 kev 1 GeV = 1000 MeV Ein Ergebnis molekulardynamischer Berechnungen. Es zeigt eine Region mit einer Korngrösse von 12 nm, kurz nachdem ein Atom eine Energie von 5 kev aufgenommen hat. Es sind die Atome der Korngrenzen und die Verschiebungsvektoren zu sehen. Das kleine Bild ist ein vergrösserter Ausschnitt des Defekts nach dem Abkühlen. Die Korngrenzenstruktur ist in grünen, blauen und roten Atomen dargestellt, die Defekte innerhalb des Korns sind vorwiegend blau. Eine Gruppe des PSI studiert strukturelle und mechanische Eigenschaften von nanokristallinen Metallen. Aufwendige Computersimulationen des Strukturverhaltens mit der sogenannten Molekulardynamik- Methode ergänzen die Experimente. Das Zusammenspiel von experimentellen Techniken und diesen Modellrechnungen gestattet ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse. Die bis zu 6 Millionen Atome enthaltenden Modellstrukturen werden sowohl auf grossen Parallelrechnern am PSI als auch auf externen Schweizer Grossrechnern berechnet. Ein Bereich der aktuellen Forschung befasst sich mit den Auswirkungen von starker Bestrahlung auf metallische Strukturen. Vor allem wird das Verhalten von nanokristallinen Metallstrukturen, d. h. von oberflächendominierten Strukturen, die einen hohen Anteil an Korngrenzenatomen enthalten, mit solchen mit grösseren Korngrössen verglichen. Die Computersimulationen ermöglichen ein besseres Verständnis der entstehenden Fehlordnungsstrukturen. Es ist experimentell belegt, dass die Geschwindigkeit der Defektbildung in nanokristallinen Materialien um einen Faktor zwei kleiner ist als in vergleichbaren Versuchen mit gröberen Korngrössen. Bei Proben mit sehr feinen Körnern von weniger als 20nm sank die Geschwindigkeit innerhalb der Messgenauigkeit sogar auf null. Ein Resultat aus dem Jahr 2001 betrifft die Akkumulation von Schäden nahe einer Korngrenze und wurde durch eine Simulation von nanokristallinem Nickel entdeckt. Dazu wurde eine Reihe aufwendiger Molekulardynamik-Rechnungen mit Korngrössen zwischen 5 und 12 nm und bei verschiedenen Bestrahlungsenergien durchgeführt. Eine genaue Analyse der entstandenen Strukturen zeigte eine kollektive Bewegung von Atomen zu den Korngrenzen hin, kurz nach der Deposition der Strahlungsenergie. Dies ergibt entweder einer Defektstruktur reich an Leerstellen oder eine völlig defektfreie Struktur. Ohne sich signifikant zu verlagern, können also die Korngrenzen eines nanokristallinen Materials sich bewegende Atome absorbieren.

34 FORSCHUNG 2001 PSI-JAHRESBERICHT Festkörper und Materialien Polarisation: Schwingungsrichtung einer Welle Chemische Karten im Nanometermassstab Der technische Fortschritt basiert auf dem Verständnis mikroskopischer Prozesse. Wie wirkt ein Autokatalysator? Wie speichern magnetische Atome Daten in Computerfestplatten? Gelingt es, Atome und Moleküle in geordnete Strukturen zu bringen und so die Computer noch weiter zu verkleinern? Solche Fragen können Forschende an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz, SLS, mit einem besonderen Röntgenmikroskop studieren. Dabei ist es ihr Ziel, die grundlegenden physikalischen und chemischen Prozesse an Oberflächen zu verstehen. Dies kann dann in neuen Produkten genutzt werden. Im Jahr 2001 wurde an der SLS ein Röntgenmikroskop in Betrieb genommen. Schon im August 2001 konnten erste Pilotmessungen durchgeführt werden. Die Apparatur steht externen Benutzerinnen und Benutzern zur Verfügung, und gemeinsam mit den Forschenden des PSI untersuchen sie, welche Prozesse sich an ihren Proben abspielen. Sie können damit chemische und magnetische «Karten» von Oberflächen mit einer Auflösung von ca. 50 Nanometern erstellen, wobei Objekte, die einen Durchmesser von nur rund 500 Atomen haben, sichtbar werden. Das ist dank der Kombination einer optimalen Röntgenquelle, der SLS, und dieses speziellen Mikroskops möglich. Die SLS liefert Röntgenstrahlung mit wählbarer Energie und Polarisation. Dieses Röntgenlicht hat genügend Energie, um Elektronen aus den verschiedenen Bahnen der Atome zu schlagen. Die Elektronen werden durch das Mikroskop gesammelt und erzeugen auf einem Leuchtschirm ein rund fach vergrössertes Bild. denen sowohl die Energie, als auch die Polarisation der Röntgenstrahlung so flexibel wählbar ist. Das erlaubt, an derselben Probe so unterschiedliche Fragen zu untersuchen wie: Welches Element sitzt in welcher chemischen Umgebung? In welche Richtung zeigt das Magnetfeld der Atome? Zeigen die Magnetfelder aller Atome in die gleiche Richtung oder abwechselnd nach oben und unten? Da die Polarisation schnell umgeschaltet werden kann, sind zeitabhängige Effekte messbar oder besonders präzise Messungen möglich. Eine Abbildung mit dem Röntgenmikroskop. Es ist das Bild einer am PSI hergestellten Teststruktur im Bereich von Nanometern. Ihr Durchmesser ist in Wirklichkeit nur 0.2 mm, und die radialen Speichen dieses sogenannten «Siemens-Sterns» sind sehr klar zu sehen. Das Röntgenmikroskop für Oberflächenuntersuchungen an der SLS. Es ist ein Photo-Elektronen-Emissions-Mikroskop (PEEM). Das Röntgenlicht der SLS erreicht die Apparatur von rechts. Der Ypsilon-förmige Teil ist das Mikroskop, die Kamera ist unten rechts zu sehen. Weltweit ist dies eine der wenigen modernsten Mikroskopieanlagen, bei

35 24 PSI-JAHRESBERICHT 2001 FORSCHUNG 2001 Kolloid: Lösung von Teilchen in einer Flüssigkeit ESRF = European Synchrotron Radiation Facility, Synchrotron-Lichquelle in Grenoble (F) 1 Nanometer =1nm = 1 Millionstel Millimeter Festkörper und Materialien Ist eine eingeschlossene Flüssigkeit noch flüssig? Der Zwischenraum der Begrenzungsflächen ist für die Röntgenstrahlen ein Wellenleiter. Die Schichtung der Flüssigkeit bewirkt ein charakteristisches Streumuster (rechts im Bild), das für verschiedene Ein- und Austrittswinkel gemessen wurde. Austrittswinkel [Grad] Einfallswinkel [Grad] Einfallswinkel Austrittswinkel Streumuster Streumuster für eine Kolloid-Flüssigkeit, in der Silikatpartikel mit einem Durchmesser von 110 Nanometern gelöst sind. Der begrenzende Zwischenraum betrug 655 Nanometer. Aus solchen Mustern können die Fachleute auf die Dichteprofile in der dünnen Flüssigkeitsschicht schliessen. Wird eine Lösung von Partikeln in einer Flüssigkeit ein Kolloid zwischen zwei parallelen Oberflächen bei sehr kleinem Abstand eingeschlossen, ist intuitiv zu erwarten, dass sich die Partikel in dünnen Schichten parallel zu den begrenzenden Oberflächen ordnen. Neueste Streuexperimente einer PSI-Gruppe mit Synchrotronlicht an der ESRF in Grenoble haben gezeigt, dass dies tatsächlich der Fall ist. Durch das Ordnen wird die Kolloid-Flüssigkeit klebrig und festkörperartig. Sie ist ein Modellmaterial für molekulare Gleit- oder Schmiermittel. Die Wirkung von Schmiermitteln verschlechtert sich, wenn die Zwischenräume nur noch einige Moleküldurchmesser betragen. Für ein grundlegendes Verständnis von Phänomenen wie Reibung und Abnutzung ist die Erforschung von Ordnungsprozessen, die durch Begrenzungen entstehen, notwendig. Um diese Effekte nachzuweisen, hat die PSI-Forschungsgruppe eine neuartige Methode, die sogenannte kohärente Röntgenstreuung, eingesetzt. Die Begrenzung wirkt als Wellenleiter. Das heisst, die Röntgenstrahlen werden im Zwischenraum der beiden Grenzflächen eingefangen und gleichzeitig durch die geordneten Flüssigkeitsschichten gestreut (Grafik oben). Detaillierte Analysen der Streumuster ergeben dann das Dichteprofil der Flüssigkeit über den Zwischenraum hinweg (Grafik unten). Dichte Kolloide, die im Normalzustand flüssig sind, kristallisieren in eine dicht gepackte Schichtstruktur, wobei die Ordnung zum Zentrum des Zwischenraums hin abnimmt. Messungen von zeitabhängigen Veränderungen des Streumusters zeigten, dass sich die Begrenzung auch auf die Bewegung der Kolloid-Partikel auswirkt, die sogar bei sehr verdünnten Lösungen viel langsamer war. Dank einer speziellen, am PSI hergestellten Fokussierungseinrichtung für die Röntgenstrahlen (Fresnel-Zonenplatte) war die Datenaufnahme fünfzigmal schneller als üblich.

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37 26 PSI-JAHRESBERICHT 2001 FORSCHUNG 2001 Teilchen- und Astrophysik Eine Kristallkugel für neue Erkenntnisse Pion: mittelschweres Elementarteilchen Positron: poitiv geladenes Elektron Mesonen: bestehen aus zwei Quarks Quarks: Elementarbausteine der schweren Teilchen, Proton und Neutron, enthalten je drei Quarks. Detektoren: Nachweisgeräte Die Apparatur für die Messung des Pion-Betazerfalls im Aufbau. Die weisse Kugel, gehalten durch eine stabile Rahmenkonstruktion (rosa), enthält 240 Kristalldetektoren. In den Löchern der Kugeloberfläche wurden die Lichtverstärker montiert, welche das in den Kristallen entstehende Licht registrieren. Der Aussendurchmesser der Kristallkugelschale beträgt etwa 1m. Am PSI wird der Zerfall des positiv geladenen Pions in ein neutrales Pion, ein Positron und ein ungeladenes Neutrino studiert. Er wird auch Betazerfall des Pions genannt. Seine Wahrscheinlichkeit ist, verglichen mit dem normalen Pionzerfall, nur etwa 10-8 ( ). Es ist also ein seltener Zerfall, und weil er relativ einfach ist, spielt er für das Standardmodell der Teilchenphysik eine wichtige Rolle. Denn die theoretisch zu erwartende Wahrscheinlichkeit dieses Zerfalls im Vergleich zum normalen Pionzerfall ist auf 0.2% genau berechenbar und ermöglicht daher einen kritischen Test verschiedener Aussagen des Standardmodells. Wenn Ergebnisse nicht mit dem Modell übereinstimmen, könnte dies auf Phänomene hinweisen, die über das Standardmodell hinausgehen. Die Messungen am PSI dauerten das ganze Jahr Dabei wurden etwa Ereignisse dieses seltenen Zerfalls beobachtet. In internationaler Zusammenarbeit hat die Forschungsgruppe dafür ein sehr spezielles Detektorensystem in der Form einer Kristallkugel entwickelt (links). Mit den Ergebnissen der vorausgegangenen Jahre wollen die Forscherinnen und Forscher eine Genauigkeit von 0.5% erreichen. Sie sind aber wegen der sehr zeitaufwendigen Analysen, noch nicht ganz am Ziel angelangt. Doch schon jetzt können sie erstmals die Gültigkeit wesentlicher Berechnungen für das Pion aus dem Standardmodell bestätigen. Diese Präzision ist einmalig. Das bisher beste Experiment aus dem Jahr 1985 lieferte die Zerfallswahrscheinlichkeit mit einer Genauigkeit von 4%. Erstmals können damit präzise Vorhersagen des Standardmodells für die Mesonen, zu denen das Pion gehört, experimentell überprüft werden. Wie wichtig diese Präzisionsmessungen sein können, zeigte der Elektromagnetismus, wo diese Art von Messungen und Berechnungen zur präzisesten Theorie führte, die wir überhaupt kennen. Das genaue Resultat für den Pion-Betazerfall kann nun auch helfen, Diskrepanzen zwischen den Messungen des Neutronenzerfalls und den Erwartungen des Standardmodells zu klären.

38 FORSCHUNG 2001 PSI-JAHRESBERICHT Teilchen- und Astrophysik Das Standardmodell der Elementarteilchen unter der Lupe Myon: ein dem Elektron sehr ähnliches aber schwereres Elementarteilchen Elektron: leichtes Elementarteilchen Neutrino: ungeladenes und vielleicht masseloses Elementarteilchen Target: Material, in dem Teilchen neue Teilchen freisetzen oder Reaktionen auslösen. Das Target aus Gold, in welchem die gesuchte Umwandlung des Myons in ein Elektron stattfinden könnte, muss extrem dünn und trotzdem selbsttragend sein, damit die Messungen nicht gestört werden. Seine Wandstärke beträgt 40 Mikrometer. Bei einem Experiment der Teilchenphysik am PSI suchen die Forschenden nach der spontanen Umwandlung des Myons in ein Elektron, ohne dass dabei Neutrinos entstehen. Diese Myon-Elektron-Umwandlung gehört zu einer Gruppe von Prozessen, die bisher noch nicht beobachtet wurden, und nur weil es sie scheinbar nicht gibt, sind sie im Standardmodell der Teilchenphysik verboten. Dass sie nicht stattfinden, wird zwar akzeptiert, aber nicht verstanden. Die Suche nach solchen Umwandlungen ist daher eine Suche nach dem Tor aus der Enge des Standardmodells in die Weite einer sogenannten «Welttheorie» der Elementarteilchen, einer «Theory of Everything». Sie verfolgt das gleiche Ziel wie die Forschung an Grossbeschleunigern mit alternativen Methoden. Die Forschungsgruppe am PSI hatte ihre Apparatur optimal dafür ausgelegt, dass dieser verbotene Myon-Zerfall stattfinden und mit höchster Präzision nachgewiesen werden könnte. Falls eine solche Umwandlung überhaupt geschieht, braucht das Myon dafür einen schweren Kern in seiner Nähe. Gewählt wurde dafür ein dünnes rohrförmiges Target aus Gold (oben). Nach zahlreichen Messstunden im Vorjahr hat die Forschungsgruppe in Jahr 2001 die Daten analysiert. Sie hat zwar den gesuchten Prozess nicht entdeckt. Aber sie kann nun die weltweit genaueste Wahrscheinlichkeit dafür angeben, dass ein solcher Zerfall stattfinden könnte: sie ist kleiner als (d.h ). Bisher konnte noch nie eine so niedrige Grenze für die Myon-Elektron-Umwandlung gemessen werden. Das Ergebnis wird vermutlich für einige Zeit der Rekordwert bleiben. Ob eine Myon-Elektron-Umwandlung gefunden wird oder nicht, die Suche danach verbessert in jedem Fall das Verständnis der fundamentalen Gesetze der Materie. Würde sie gefunden, ist das ein sensationeller Durchbruch in der Teilchenphysik. Bis dahin können sich die Fachleute, welche neue Theorien der Teilchenphysik entwickeln, am Präzisionsergebnis des PSI orientieren, um verschiedene Modellannahmen einzuschränken.

39 28 PSI-JAHRESBERICHT 2001 FORSCHUNG 2001 Winde von Sternen: sind wie beim Sonnenwind Partikel und Strahlung, welche der Stern aussendet. Teilchen- und Astrophysik XMM-Newton entschleiert Geheimnisse von Sternen YY Gem Castor B A Das Mehrfachsystem Castor im Röntgenbereich. Die beiden oberen, sehr nahe beieinanderstehenden Sterne sind nur mit einem guten Teleskop zu trennen und machen den sichtbaren Stern Castor im Sternbild Zwillinge aus. In Wirklichkeit ist jeder der beiden Sterne seinerseits doppelt, wobei die gegenseitige Umlaufszeit nur einige Tage beträgt. Der untere Stern ist im sichtbaren Licht sehr schwach und von Auge äusserst knapp von Castor zu trennen. Er besteht in Wirklichkeit aus zwei Sternen von sehr geringen Massen, die in nur 19 Stunden umeinander laufen und sich alle 9.5 Stunden überdecken. Mit dem Satelliten XMM-Newton, zu dessen Bau auch das PSI beigetragen hat, untersucht eine Forschungsgruppe des PSI Prozesse in Sternen, bei denen die Energien so hoch sind, dass Temperaturen von 10 Millionen Grad und mehr entstehen. Vor allem auch junge Sterne zeigen diese Phänomene extrem stark. Die Forschenden können damit auch die Vergangenheit unseres eigenen Sonnensystems und die Einflüsse solcher Prozesse auf entstehende Planetensysteme studieren. Sie wollen verstehen, wieso Hochenergieprozesse im Universum wichtig sind und welche Rolle sie in der Evolution von Sternen spielen könnten. Gesucht sind Antworten auf Fragen wie: Wie werden kosmische Gase (Plasmen) geheizt? Welche Rolle spielen die Magnetfelder? Wie beeinflussen die Hochenergieprozesse die Zusammensetzung der Gashüllen der Sterne? Im Jahr 2001 hat die Gruppe einzigartige Beobachtungen von Röntgensternen gesammelt, vor allem von magnetisch sehr aktiven und auch jungen Sternen. Es finden sich darunter Sterne mit explosiver magnetischer Energiefreisetzung (Flares), Doppelsterne mit grossen Magnethüllen, Doppelsterne mit kollidierenden Winden sowie Doppelsterne, die sich während ihres Umlaufs gegenseitig bedecken. Die Gruppe hat auch die Elementzusammensetzung der Gashüllen von Sternen (Koronen) untersucht und fand heraus, dass Elemente wie Eisen, Magnesium und Silizium gegenüber Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Neon umso mehr untervertreten sind, je stärker der Stern magnetisch aktiv ist. Die Resultate sind erstmalig, denn auf XMM-Newton ist eine bisher unerreichte Empfindlichkeit mit hoher Energieauflösung kombiniert. Die Forschenden verwenden auf XMM-Newton eine Serie von hochempfindli- Skizze des Prinzips von Gamma Velorum (siehe auch Bild rechts). Zwei Sterne umkreisen einander, beide geben starke Winde ab. Im sehr starken Wind des Sterns im Zentrum verhält sich der Wind des umkreisenden Sterns wie ein Komet: zwischen den kollidierenden Winden entsteht eine Schockzone, die zu sehr heissem (rund 10 Millionen Grad) Plasma führt. Ein Umlauf der beiden Sterne dauert 78 Tage. (Grafik Gregor Rauw/Liege, Belgien;

40 FORSCHUNG 2001 PSI-JAHRESBERICHT chen Detektoren, die an die grössten existierenden Röntgenspiegel gekoppelt sind. Neben Bildern erhalten sie Röntgenspektren aus den sogenannten Reflexionsgitter-Spektrometern, an deren Entwicklung das PSI beteiligt war. Damit können sie die Temperatur, die chemische Zusammensetzung, die Dichte und Geschwindigkeiten des Plasmas messen. Dicht gepackter Sternhaufen um den Stern Gamma Velorum (hellster Stern in der Mitte). Die meisten Sterne auf dem Röntgenbild sind gleichzeitig entstanden und noch sehr jung (einige Millionen Jahre). Sie strahlen im Röntgenbereich bis zu 1000 mal stärker als die Sonne, variieren zum Teil sehr und bei einigen sind wahrscheinlich Planeten im Entstehen. Gamma Velorum selber ist ein Doppelsternsystem aus zwei Sternen mit grosser Masse, die beide einen Wind abgeben (wie im Bild links skizziert).

41 30 PSI-JAHRESBERICHT 2001 FORSCHUNG 2001 Biologie und Medizin Erste Proteinstruktur aus SLS-Messungen bestimmt Vier Aldehyd-Dehydrogenase(ALDH)-Moleküle bilden einen Komplex mit ungefähr Atomen. Der Abbildungsmassstab ist :1, was etwa der Vergrösserung eines Sandkorns auf die Ausmasse des Mount Everest entspricht. Proteine sind langkettige Makromoleküle, die aus Hunderten von Aminosäuren mit insgesamt Tausenden von Atomen bestehen. Sie erfüllen lebenswichtige Funktionen in Zellen und Organismen, so z.b. beim Stoffwechsel (Enzyme), bei der Zellteilung oder auch bei der Abwehr von Krankheitserregern. Um die Funktionen der Proteine tiefer zu verstehen, bestimmen Forschende am PSI deren Strukturen bis zum atomaren Niveau. Dieses Verständnis kann dann zum Beispiel zur Bekämpfung von Stoffwechselerkrankungen oder von Erkrankungen durch Bakterien oder Viren genutzt werden. Für ihre Arbeit müssen sie die Proteine in grösseren Mengen rein gewinnen und Proteinkristalle ähnlich den Salz- oder Zuckerkristallen züchten. Diese Proteinkristalle durchleuchten sie mit Röntgenstrahlen und messen die entstehenden Streubilder. Die Wellenlängen der Röntgenstrahlen sind bis zu 5000 Mal kleiner als die des sichtbaren Lichts, weshalb damit atomare Details erfasst werden können. Die extrem brillante und reine Röntgenstrahlung an der SLS ermöglicht es, auch von sehr kleinen und sehr schwierig zu messenden Kristallen exzellente Daten aufzunehmen. Rechenaufwendige Computerauswertungen dieser Resultate führen dann zu einem Proteinmodell, in dem die Lage jedes Atoms festgelegt ist. Die Forschungsgruppe bestimmte eine erste Proteinstruktur mit Daten, die sie an der SLS gemessen hatte. Es ist die Struktur eines Enzyms, der sogenannten Aldehyd-Dehydrogenase (ALDH), aus dem Bakterium Thermus thermophilus, das bei 72 C lebt. Aldehyde sind für Zellen im allgemeinen schädlich, und ALDH spielt eine wichtige Rolle bei der Entgiftung der Zelle. Das entsprechende Enzym im Menschen befindet sich in der Leber und ist unter anderem am Alkohol-Abbau beteiligt. Die atomare Struktur von ALDH dient den Forschenden als Basis für das bessere Verständnis des lebenswichtigen Entgiftungsprozesses der Zelle. Sie ermöglicht ihnen ausserdem, Einsicht darüber zu gewinnen, wie biologische Moleküle bei so hohen Temperaturen stabil und funktionsfähig sein können.

42 FORSCHUNG 2001 PSI-JAHRESBERICHT Biologie und Medizin Die Protonentherapie am PSI: Resultate und Ziele Bis Ende 2001 hat das PSI 99 Patientinnen und Patienten mit tiefliegenden Tumoren erfolgreich an der Protonentherapieanlage, der Gantry, bestrahlt. Da die Gantry durch den Ringbeschleuniger mit Protonen versorgt wird, sind die Behandlungsmöglichkeiten beschränkt. Der Beschleuniger und die damit verbundenen Anlagen wurden z.b. für Nachrüstungen und Servicearbeiten am 22. Dezember 2000 abgeschaltet und standen daher auch für die Medizin bis Mitte Mai nicht zur Verfügung. Links: die Gantry der Protonentherapieanlage am PSI für die Behandlung Auch die OPTIS-Anlage für die Bestrahlung von von tiefliegenden Tumoren mit der Spot-Scanning-Technik. Rechts: Sicht Augentumoren wurde wegen Revisionsarbeiten am Beschleuniger, Injektor I, abgeschaltet, in den Vorbereitungsraum mit dem Computertomographen zur genauen Positionierung der Patientinnen und Patienten. stand aber bereits ab Mitte März 2001 wieder für die Therapie bereit. Bis Ende 2001 sind dort total 3429 tumorkranke Patientinnen und Patienten behandelt worden. Die Auswahl der Patientinnen und Patienten für die Therapie an der Gantry erfolgt nach dem Gesichtspunkt des medizinischen Nutzens; das heisst, durch die Protonentherapie muss ein therapeutischer Gewinn zu erwarten sein. Die Abteilung Strahlenmedizin des PSI wählt gemeinsam mit den Strahlentherapiezentren der Schweiz die Erkrankungen, die am PSI behandelt werden, nach diesen Kriterien aus. Es handelt sich um Tumoren im Bereich des Schädels, der Wirbelsäule, des Körperstammes und der Extremitäten. Besondere Gewinne werden bei der Behandlung von Kindern und Jugendlichen erwartet, wo zum Schutz des wachsenden Organismus eine besonders schonende Bestrahlung angezeigt ist. chen der Methode zu untersuchen. Denn das Fernziel ist der Einsatz dieser Therapie in Spitälern. Das Projekt PROSCAN sieht vor, die Forschungseinrichtungen zu erweitern (unten). Die Basis dafür ist ein kompaktes Zyklotron, das in Zukunft die Protonen für die Gantry und für weitere Anlagen liefern wird. Ein erster wichtiger Schritt im Jahr 2001 war die Vergabe des Auftrags für die Lieferung des Zyklotrons an die Firma ACCEL Instruments GmbH. Wegen des Erfolgs der Protonentherapie hat das PSI das Projekt PROSCAN gestartet und im Jahr 2001 erste Schritte der Konkretisierung unternommen. Ziele des Projekts sind die Weiterentwicklung der weltweit einmaligen PSI- Spot-Scanning-Technik für die Behandlung von Tumoren mit Protonen, die medizinische Forschung und die Behandlung einer grösseren Anzahl von Patientinnen und Patienten, um die Stärken und Schwä- Medizinpavillon Gantry 2 Gantry 1 Kompaktzyklotron Biologie/ Materialwissenschaften OPTIS/ Horizontalstrahl Plan der Einrichtungen für das Projekt PROSCAN.

43 32 PSI-JAHRESBERICHT 2001 FORSCHUNG 2001 Biologie und Medizin Wie ein Wirkstoff schneller in die Zellen gelangt 1 Nanometer = 1nm = 1 Millionstel Millimeter In Zellen aufgenommenes Material Liposomen mit Peptid 20 µm Tests in Zellkulturen zeigten: Werden fettlösliche Bläschen, sogenannte Liposomen, auf ihrer Oberfläche mit kleinen Eiweissmolekülen (Peptiden) versehen, gelangen sie in wenigen Minuten ins Zellinnere, während normale Liposomen erst nach Stunden in die Zellen aufgenommen werden. Liposom, aus Fetten gebildetes Bläschen. «Ladung» des Liposoms, z.b. ein Radioisotop oder Medikament. Modifiziertes Liposom, das besser an Zellen bindet. «Peptid», findet Zielzellen. Die Behandlung vieler Krankheiten erfordert die Aufnahme von Molekülen in die Zellen des erkrankten Organs. Die Substanzen müssen durch das Blut zum Zielorgan transportiert und dort durch die Zellmembran ins Zellinnere geschleust werden. Mit der Zellmembran, die aus einer Schicht fettähnlicher Moleküle besteht, grenzt sich eine Zelle von ihrer Umgebung ab. Viele bekannte Medikamente, wie z.b. das ehrwürdige Aspirin, bestehen aus kleinen Molekülen, die schnell und effizient in die Zellen gelangen. Bei grossen und komplizierten Molekülen braucht es dazu hingegen meist biochemische Tricks. Das Ziel einer Forschungsgruppe am PSI ist es, ausreichende Mengen giftiger Wirksubstanzen in Tumorzellen einzuschleusen, um diese abzutöten. Für eine effiziente Tumortherapie muss diese Substanz erstens ausschliesslich in den Tumor transportiert werden und zweitens die Zellmembran durchdringen können. Als Transportmittel verwendet die Gruppe kleine, fettlösliche Bläschen, sogenannte Liposomen, mit einem Durchmesser von ca. 100 Nanometern. Diese können mit verschiedenen Substanzen gefüllt werden, und nach dem Einspritzen ins Blut schützt die Aussenhaut der Liposomen sie vor der vorzeitigen Inaktivierung z.b. in Niere und Leber. Die Forschenden haben solche Liposomen mit einer Art Adressetikette versehen, die zu ihrer Anreicherung im Tumor führt. Diese Adressetiketten bestehen aus Eiweissmolekülen, welche die Fähigkeit haben, eine Tumorzelle von einer gesunden Zelle zu unterscheiden. Aufbauend auf früheren Arbeiten verwenden die Forschenden ein weiteres Molekül, ein sogenanntes Peptid, um die Aufnahme grosser Moleküle in die Zellen zu beschleunigen, ohne sie zu schädigen. Vergleichsmessungen in Zellkulturen zeigten klar: die mit dem Peptid markierten Liposomen dringen schneller in die Zellen ein als unveränderte Liposomen. Wird dieses Verhalten in einem nächsten Schritt bei Tieren bestätigt, würde ein grosses Problem der bisherigen Therapie mit Liposomen verringert. Denn bis jetzt werden die Liposomen wenige Minuten nach dem Einspritzen ins Blut bereits in der Leber zurückgehalten und gehen so für eine Therapie im Zielorgan verloren.

44 FORSCHUNG 2001 PSI-JAHRESBERICHT Biologie und Medizin Eine Brücke zur klinischen Anwendung Am PSI entwickeln Forscherinnen und Forscher Substanzen für den Einsatz in Positron-Emmissions-Tomographen (PET). Solche PET-Anlagen dienen in Kliniken unter anderem der Diagnose von Hirnerkrankungen oder von Tumoren. PET ist eine moderne bildgebende Technologie, deren Bedeutung stetig wächst. Denn damit können nicht nur Strukturen, sondern auch Vorgänge im Körperinnern sichtbar gemacht werden. Beispielsweise ist ein Tumor mit erhöhtem Stoffwechsel lokalisierbar, oder es können auch Prozesse der Nervenschädigung bei Parkinson- oder Alzheimer-Erkrankungen erkannt werden. Bei der PET-Methode werden kleine Mengen von speziellen Substanzen, in die ein radioaktiver Kern eingebaut ist, in die Blutbahn injiziert. Ein Kranz von Zählern umgibt den Körper und misst die austretende Strahlung, woraus die Verteilung der Radioaktivität und damit der Substanz im Körperinnern rekonstruiert wird. Jede neue PET-Substanz muss vor ihrem Einsatz in der Klinik ausführlich an Tieren getestet werden. Weil aber dafür die räumliche Auflösung der Bilder von klinischen PET-Tomographen nicht ausreicht, braucht es spezielle kompakte und kleine Anlagen für Kleintiere. Die PSI-Fachleute haben eines der weltweit ersten derartigen Geräte anfangs 2001 gekauft und in Betrieb genommen. Sie können damit Körperstrukturen von Kleintieren auf rund 1mm 3 genau abbilden die Bilder aus klinischen Anlagen für Menschen sind viel gröber, nämlich etwa 50mm 3 genau. Mit dem neuen Tomographen können die Forscherinnen und Forscher am PSI einerseits ihre neuentwickelten PET-Substanzen für die Kliniken schneller Vorbereitungen einer Messung im neuen Positron-Emmissions-Tomographen. Da sich die Ratte während der Messung nicht bewegen soll, erhält sie vorgängig eine leichte Inhalationsnarkose. und besser überprüfen. Anderseits wird die Entwicklung neuer Medikamente dank diesem Tomographen entscheidend vereinfacht und verkürzt, da der Therapieeffekt am gleichen Tier über längere Zeit verfolgt werden kann. Im Jahr 2001 haben die PSI- Fachleute mit etablierten und mit neuen Substanzen erste Messungen an Tieren erfolgreich durchgeführt. Sie sind davon überzeugt, dass der neue Tomograph eine wichtige Brücke zwischen der präklinischen Forschung mit Tieren und der klinischen Forschung am Menschen ist.

45 34 PSI-JAHRESBERICHT 2001 FORSCHUNG 2001 Energie und Umwelt Transport radioaktiver Stoffe aus dem Endlager Radionuklide: Sorte von Atomkernen (Nuklide), die Strahlung aussenden und sich dabei in eine andere Sorte verwandeln. Arbeiten im Labor mit den am PSI entwickelten Hochdruckzellen Radioaktive Abfälle müssen zum Teil über extrem lange Zeiten vom Lebensraum der Menschen ferngehalten werden. Besonders lange bleiben Stoffe aus abgebrannten Brennelementen der Kernkraftwerke radioaktiv. PSI-Fachleute befassen sich mit Fragen der Sicherheit von geologischen Endlagern, wo langlebige hochradioaktive Abfälle, von der Biosphäre getrennt, für Tausende oder Millionen von Jahren gelagert werden. Sie erforschen vor allem die physikalisch-chemischen Vorgänge in den Endlagersystemen, wodurch sie die Basis für eine realistische Beschreibung der Risiken bei der Lagerung radioaktiver Abfälle schaffen wollen. Sie suchen nach Methoden, um die vergleichsweise kleinräumigen und kurzzeitigen Versuche auf die grossen räumlichen und zeitlichen Dimensionen eines Endlagers hochzurechnen. Eine PSI-Forschungsgruppe untersucht den Transport von Radionukliden im Opalinuston. Das ist ein Sedimentgestein, welches vor nahezu 200 Millionen Jahren auch in den Regionen Süddeutschland und Nordschweiz gebildet wurde. Unter dem sehr hohen Wasserdruck des damaligen Meeres entstanden dichte Tonschichten, in welchen das Porenwasser praktisch stillsteht. Die darin gelösten Radionuklide sind aber ständig in Bewegung und können sich ausbreiten. Die PSI-Gruppe studiert diese sogenannte Diffusion in ihren Labors (oben) und in Felslabors (unten). Sie hat dafür eine Apparatur entwickelt, mit der sie Messungen unter so hohem Druck ausführen kann, wie er in der Tiefe der Gesteinsschichten herrscht. An Proben von verschiedenen Standorten kann sie so z.b. die Porosität und damit die Durchlässigkeit des Gesteins messen. Zudem untersuchen die Fachleute durch Messungen am Ort die Bewegung der Radionuklide im Opalinuston. Die Ergebnisse zeigen, dass die Diffusion durch den Druck wenig beeinflusst wird. Sie ist hingegen je nach Herkunftsort der Proben verschieden, was vermutlich mit der unterschiedlichen Porengrösse des Gesteins zu tun hat. Felslabor Mont Terri im Jura, in dem die PSI-Forschungsgruppe ihre Versuche zum Transport von Radionukliden im Tongestein durchführt.

46 FORSCHUNG 2001 PSI-JAHRESBERICHT Energie und Umwelt Reduktion von Plutoniumvorräten ist möglich Sowohl der optimierte Umgang mit Kernbrennstoff als auch die Reduktion der radioaktiven Abfälle sind heute starke Anliegen der Kernenergie, wobei eine angemessene Bewirtschaftung des Plutoniums ein wichtiger Faktor ist. Auch wenn in zahlreichen europäischen Ländern um Plutonium zu verbrauchen oft gemischte Kernbrennstoffe aus Uran- und Plutoniumoxid eingesetzt werden, bleibt das Entstehen von neuem Plutonium aus dem vorhandenen Uran ein ernsthafter Nachteil. Daher erforschen und entwickeln Fachleute am PSI einen uranfreien Kernbrennstoff (Plutonium-Erbium-Zirkon-Oxid), der direkt in Kernkraftwerken heutiger Technologie einsetzbar wäre. Der Verbrauch von Plutonium soll damit erhöht und so die Risiken des Missbrauchs minimiert werden. Der Brennstoff, den die PSI-Gruppe erforscht, weist hinreichende Wärmeübertragungseigenschaften und ein gutes Rückhaltevermögen für die radioaktiven Spaltprodukte auf. Nach dem Einsatz im Reaktor kann er deshalb direkt gelagert werden. Die Forschenden befassen sich einerseits mit der Zuverlässigkeit der reaktorphysikalischen Berechnungen zur Brennstoff- und Kernauslegung sowie zu den Sicherheitscharakteristiken, und anderseits mit den Materialeigenschaften und dem Bestrahlungsverhalten des neuen Brennstoffs. Sie haben dazu drei vergleichbare Brennstabproben mit am PSI produzierten uranfreien Brennstofftabletten hergestellt. Eine setzten sie für reaktorphysikalische Messungen im Forschungsreaktor PROTEUS am PSI ein, die zweite in einem Bestrahlungs-Experiment im Testreaktor in Halden (Norwegen) und die dritte im Hochflussreaktor im niederländischen Petten. Damit wurden derartige Brennstoff-Proben erstmals in einer realen Anordnung bestrahlt. Am PSI haben die Fachleute in einem kommerziellen Brennelement einen normalen Uranoxid-Brennstab durch einen aus dem neuartigen Material ersetzt und dann im PROTEUS Messungen durchgeführt. Sie setzten den neu entwickelten Brennstab an verschiedenen Stellen ein. Experimentelle Daten und Berechnungen verglichen sie und stellten so sicher, dass das Verhalten des neuen Brennstoffs wirklich vorausgesagt werden kann. Das Brennstabmodul wird in den Testtank des PROTEUS eingesetzt. Brennstabanordnung im PROTEUS. Das Testmodul befindet sich unten links.

47 36 PSI-JAHRESBERICHT 2001 FORSCHUNG 2001 Transiente: Verlauf einer Veränderung im Reaktor Energie und Umwelt Sicherheitsaspekte bei Kernkraftwerken Eine Forschungsgruppe am PSI wendet fortgeschrittene Rechenmethoden an, um die Sicherheit von Leichtwasserreaktoren zu untersuchen und weiter zu verbessern. So studieren sie das Verhalten von Gasen und Flüssigkeiten in grossen Volumen während einer angenommenen Unfalltransiente. Konventionelle Rechenmethoden reichen oft nicht aus, um das Verhalten des Reaktor-Systems bei angenommenen Störfällen zu studieren. Dann sind fortgeschrittene dreidimensionale Rechenmethoden mit einer besseren örtlichen Auflösung notwendig. Diese können grossen Rechenaufwand erfordern und sind nur dank der heutigen Hochleistungs-Computer möglich. Ein Blick ins Innere der Grossanlage PANDA am PSI. Die PSI-Forschenden rechnen zuerst mit einem gröberen dreidimensionalen Modell in Zellen von etwa 10 bis 100 cm. Zusammen mit den Resultaten entsprechender Simulationsexperimente erkennen sie damit die wesentlichen Aspekte. Für den zweiten Schritt lassen sie dann unwesentliche Phänomene weg und rechnen in Zellen von Zentimetern oder gar Millimetern. Der ökonomische Umgang mit der Computernutzung ist enorm wichtig: z.b. benötigt die Berechnung mit Zellen für eine Transiente von 1000 Sekunden rund eine Woche Rechenzeit. Die Forschenden des PSI engagieren sich mit 14 weiteren Ländern in einem Projekt der OECD, das seit April 2001 läuft und Experimente an der PSI-Anlage PANDA (links) umfasst. Damit sollen zum ersten Mal fortgeschrittene Rechenmodelle für einen postulierten Reaktorunfall experimentell überprüft werden. In einem zweiten Projekt im Rahmen der EU wird die Anwendung fortgeschrittener Rechenmethoden für die Sicherheitsanalyse von Reaktoren grundsätzlich untersucht. Es werden Richtlinien für die Anwendung der Rechencodes abgeleitet, verbesserte Modelle erarbeitet und Modelle überprüft. Dazu werden die Fachleute des PSI Ergebnisse ihrer Voraus-Berechnungen (Grafik) mit den Messresultaten vergleichen. Es gab bisher keine Experimente, die solch detaillierte Überprüfungen ermöglichen. Dies verhilft zu einer verbesserten Einsicht in den Ablauf von postulierten Unfalltransienten, zur Reduktion unnötiger Sicherheitsmargen und zu einer grösseren Flexibilität beim Betrieb der Kernkraftwerke. outflow inflow outflow inflow t = 450 s t = 700 s Ausbreitung einer heliumreichen Gasmischung in zwei Behältern. Die Mischung wird in den Behälter rechts eingespritzt, erzeugt dort einen starken jetartigen Aufwärtsstrom (links) und zirkuliert zuerst im Uhrzeigersinn. 250 Sekunden später (rechts) hat sich die Zirkulation im Behälter rechts gedreht. Die Überströmung von heliumreicher Mischung in den linken Behälter ist immer noch relativ schwach, aber es beginnt sich eine ausgeprägte Schichtung abzuzeichnen.

48 FORSCHUNG 2001 PSI-JAHRESBERICHT Energie und Umwelt Abfallverbrennung ohne Sondermüllproduktion Das Abfallleitbild der Schweiz von 1985 verlangt, dass bei der Abfallbehandlung nur wiederverwertbare oder endlagerfähige Stoffe entstehen also kein Sondermüll produziert werden darf. Dies ist ein hochgestecktes Ziel, und die seither entwickelten oder in der Erprobung stehenden Verfahren haben den Durchbruch bisher nicht geschafft. Verschiedene Gründe spielen dabei eine Rolle, beispielsweise ungelöste technische Probleme oder zu hohe Kosten. Die entsprechenden PSI-Projekte konzentrieren sich deshalb auf Verfahren, die entweder auf bestehender Technik aufbauen oder sich in existierende Anlagen integrieren lassen. Fachleute am PSI erforschen beispielsweise die thermische Schwermetallabtrennung aus Schlacke oder Filterasche von Kehrichtverbrennungsanlagen (KVA). Sie entwickelten und patentierten eine Messtechnik, mit der die Verdampfung der Schwermetalle analysiert und optimiert werden kann. Bei Filterasche sind die Schwermetalle so weit abtrennbar, dass sie wiederverwertbar werden und der Rückstand endlagerfähig ist. Die Forschenden am PSI haben im Jahr 2001 die Schwermetallrückgewinnung aus Filterasche am Beispiel der Abdampfung von Zink genauer studiert. Die Abdampftechnik kann dabei im Labor direkt beobachtet und untersucht werden. Sie fanden, dass Zink in drei Stufen abdampft. Spitzenwerte beobachteten sie bei 640 C, 865 C und 950 C. Dank neuartigen Messungen mit Synchrotronlicht an der Synchrotronlichtquelle ESRF in Grenoble verstehen die Forschenden nun den Abdampfmechanismus von Zink aus Filterasche noch genauer. Sie fanden, dass während des Prozesses ein Wechsel von Zinkoxid zu Zinksulfid stattfindet. Für solche Untersuchungen ist die Methode mit Synchrotronlicht unverzichtbar, weil die Schwermetalle in der Filterasche nur in Spuren vorkommen. Dank der SLS werden Experimente dieser Art nun auch am PSI möglich sein. ESRF = European Synchrotron Radiation Facility, Synchrotron-Lichquelle in Grenoble (F) Proben von Filterasche werden nach der thermischen Behandlung auf den Gehalt von Schwermetallen untersucht. Hier wird der Schwermetallgehalt in einem Plasma analysiert.

49 38 PSI-JAHRESBERICHT 2001 FORSCHUNG 2001 Energie und Umwelt PSI-Technologie wird beschleunigt Tank SuperCap Wechselrichter Brennstoffzelle Elektromotor Prinzip des Antriebssystems des neuen Brennstoffzellenfahrzeugs. Den ersten wassergekühlten Brennstoffzellenstapel (oben) hat das PSI im Jahr 2000 gebaut. Er besteht aus 100 Einzelzellen, erreicht eine Leistung von 6500 Watt und wiegt 3 kg/kw. Dieses Brennstoffzellenauto von VW und PSI absolvierte am 16. Januar 2002 erfolgreich eine Testfahrt über den Simplonpass. Brennstoffzellen wandeln den Energiegehalt von chemischen Brenn- Getriebe Rad und Treibstoffen direkt in elektrische Energie um. Der Wirkungsgrad solcher elektrochemischer Prozesse ist viel höher als jener von thermischen Umwandlungen wie z.b. der Verbrennung. Brennstoffzellen sind für Anwendungen in stationären Anlagen, Fahrzeugen und tragbaren Geräten geeignet. Und solche mit einer Kunststoffmembran sogenannte Polymer-Elektrolyt- Brennstoffzellen finden in der Automobil-Industrie grosses Interesse für neuartige Antriebssysteme. Sie emittieren keine Luftschadstoffe, und da der Gesamt-Wirkungsgrad von Brennstoffzellen-Fahrzeugen bedeutend besser sein wird, können sie zur Reduktion der Emission von Treibhausgasen wesentlich beitragen. Damit sie aber den Durchbruch schaffen, muss den Kosten und der Treibstoffversorgung besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Am PSI entwickelt eine Forschungsgruppe Polymer- Elektrolyt-Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff angetrieben werden, sowie Brennstoffzellen-Stapel und Supercaps. Die PSI-Gruppe hatte sich zum Ziel gesetzt, ein verbrauchsgünstiges Fahrzeug zu konzipieren und zu realisieren. Sie stellte dafür, gemeinsam mit der ETH und der Firma VW, mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenstapel her und entwickelte und baute dann ein gesamtes Antriebssystem (Grafik). Dazu gehören neben den Brennstoffzellenstapeln auch die PSI-Supercaps (Zusammenarbeit mit Firma montena AG, siehe auch Seite 75) für die Rückgewinnung und Speicherung der Bremsenergie. Gesamtsysteme verlangen immer ein Know-how auf zahlreichen Gebieten, weshalb das PSI sowohl im Bereich der Material- und Strukturforschung, als auch bei den Modulen und den Gesamtsystemen engagiert ist. Im Jahr 2001 hat das Team den Fahrzeugantrieb im Massstab 1:1 aufgebaut und damit erstmals das Zusammenspiel zwischen Brennstoffzelle und Supercaps in einem hocheffizienten Fahrzeugantrieb realisiert. Die PSI-Technologie bewies ihre Stärken bei technisch relevanter Leistung auf der ersten Testfahrt des neuen Brennstoffzellenfahrzeugs über den Simplonpass.

50 FORSCHUNG 2001 PSI-JAHRESBERICHT Energie und Umwelt 1 Nanometer = 1 nm = 1 Millionstel Millimeter Aerosolpartikel und Ozon im Raum Zürich Bei Verbrennungsprozessen entstehen neben Wasser und Kohlendioxid meistens auch Nebenprodukte wie Stickoxide, Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder Aerosolpartikel. Diese Stoffe sind entweder direkt giftig oder führen in der Atmosphäre durch chemische Reaktionen zu giftigen Produkten wie z.b. Ozon. Aerosolpartikel rücken zunehmend ins Zentrum des öffentlichen Interesses, da sie wahrscheinlich für die Gesundheit sehr schädlich sind. Dies ist allerdings nicht eindeutig geklärt. Vermutlich spielt nicht nur die Massenkonzentration der Aerosolpartikel, sondern auch deren Anzahl eine Rolle. Aber gerade dafür existieren weltweit erst sehr spärliche Daten. Die Forscherinnen und Forscher des PSI wollen deshalb abhängig von Jahreszeit, Wetter und Ort die Bildung von Ozon und Aerosolen besser verstehen. Dafür setzen sie ein Messmobil ein (oben rechts), das mit den modernsten Geräten ausgerüstet ist. Sie können damit verschiedene gas- und partikelförmige Stoffe simultan erfassen. Dank einer ausgeklügelten Stromversorgung können sie räumliche Verteilungen von Luftschadstoffen während des Fahrens messen. Sie führten im Jahr 2001 über 30 erfolgreiche Messfahrten im Raume Zürich (Plan) durch. Es zeigte sich, dass z.b. die Konzentrationen von ultrafeinen Partikeln, die kleiner als 20 Nanometer sind, vom Vormittag zum Nachmittag vor allem in der Stadt stark zunehmen (Grafik unten). Dieses und weitere Resultate weisen darauf hin, dass bei den sehr kleinen Aerosolen nicht nur die direkten Emissionen aus dem Verkehr, sondern auch die Atmosphärenchemie von grosser Bedeutung ist. Das waren weltweit die ersten simultanen Messungen vieler Spurenstoffen, Gase und Partikel mit einem Messmobil und über längere Zeit. Diese experimentellen Resultate und Modellrechnungen verhelfen zu einem besseren Verständnis der Entstehung von Luftschadstoffen und damit zu Entscheiden über die wirksamsten Reduktionsmassnahmen. Aerosolanzahl (dn/d(logd)) [cm -4 ] Das Messmobil des PSI für die Erfassung von gas- und partikelförmigen Luftschadstoffen. Zürich morgens Zürich nachmittags Durchmesser (Nanometer) Die Messroute führt durch die Stadt Zürich, ins Zürcher Oberland, auf den Bachtel, anschliessend nach Norden zum Flughafen und zurück in die Stadt Zürich. Die Schadstoffe werden während der Messfahrt im Sekundentakt aufgezeichnet, und die Route wird jeweils am Morgen und am Nachmittag gefahren. Ein Messtag dauert etwa 14 Stunden. Die Konzentration von ultrafeinen Partikeln, die kleiner als 20 Nanometern sind, ist vor allem in der Stadt Zürich am Nachmittag sehr hoch.

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52 PSI: DAS BENUTZERLABOR PSI-JAHRESBERICHT userlab PSI: das Benutzerlabor Entwicklung des PSI als Benutzerlabor Forschungsanlagen hoch bewertet Für den Betrieb des Ringbeschleunigers Neue Möglichkeiten an der SINQ Die µsr-anlagen 2001 Die SLS 2001: Stabilität und Präzision Hotlabor

53 42 PSI-JAHRESBERICHT 2001 PSI: DAS BENUTZERLABOR Entwicklung des PSI als Benutzerlabor Anzahl Benutzertage SLS SINQ µsr Teilchenphysik Dargestellt ist die totale Anzahl der Tage an welchen Forscherinnen und Forscher seit 1999 die PSI-Anlagen nutzten und die Prognose bis Dank neuer Anlagen und Instrumente sowie der Optimierung der bisherigen, ist die Zunahme der Benutzerlaborfunktion des PSI beträchtlich. Das PSI ist ein Benutzerlabor, das heisst ein Zentrum, das der schweizerischen und der weltweiten Forschungsgemeinschaft aus Universitäten und Industrie seine Anlagen für Experimente zur Verfügung stellt. Es ist daher ein internationaler Anziehungspunkt. Seine Rolle als Benutzerlabor hat sich im vergangenen Jahr verstärkt und wird gesamthaft auch in Zukunft an Bedeutung zunehmen. Die Elementarteilchenphysik am PSI wird eher reduziert, Forschung mit Myonen (µsr) etwa gleich bleiben, die Nutzung der Neutronenquelle (SINQ) und vor allem der neuen Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) markant steigen. An jeder Forschungsanlage stehen zahlreiche Apparaturen zur Verfügung, die gleichzeitig genutzt werden können. Manche davon sind weltweit einmalig. Deshalb wächst nicht nur die zahlenmässige Bedeutung des PSI als Benutzerlabor, die Qualität der Forschung an den PSI-Anlagen gehört zur Weltspitze. Sichergestellt wird dies unter anderem durch die Forschungskommission des PSI, durch die beratenden Komitees der Bereiche und durch regelmässige Expertenbeurteilungen, sogenannte Audits.

54 PSI: DAS BENUTZERLABOR PSI-JAHRESBERICHT Forschungsanlagen hoch bewertet Für zwei seiner grossen Forschungsanlagen hat das PSI erfolgreich die Teilnahme an einem EU-Projekt beantragt, das den grenzüberschreitenden Zugang zu Forschungsinfrastrukturen erleichtern soll. Es sind dies die Neutronenquelle SINQ mit ihren Experimentierapparaturen für Neutronenstreuung (Bild) und die Anlagen, bei denen als Sonden für die Erforschung von Materialien Myonen eingesetzt werden (µsr). Das PSI verfügt bereits seit einiger Zeit über diese Forschungsmöglichkeiten, die immer mehr Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des In- und Auslandes anziehen. Rund ein Viertel davon kommt schon heute aus dem EU-Raum, um die grossen Anlagen des PSI zu nutzen. Und die Zahl wird steigen, da im Jahr 2002 die SLS in den Routinebetrieb für externe BenutzerInnen übergeht. In die Bewertung der EU konnte die SLS aber aus Termingründen noch nicht einbezogen werden. Ein Beurteilungsgremium der EU verlieh den beiden Forschungsanlagen des PSI Bestnoten für die Qualität der Anlagen, für das Forschungspotential, für die Benutzerunterstützung und die Infrastruktur. Auch das Interesse aus dem EU-Raum sowie die Effizienz des Mitteleinsatzes am PSI beurteilten die Experten als hoch. Zur Förderung der Nutzung der beiden Anlagen durch Forschende aus der EU hat deshalb die EU-Kommission ca.2.8 Millionen Franken innerhalb des fünften Rahmenprogramms über die kommenden 28 Monate verteilt beschlossen. Da sich die Unterzeichnung der bilateralen Verträge verzögert hat, ist eine direkte Förderung durch die EU zur Zeit noch nicht möglich, weshalb das Bundesamt für Bildung und Wissenschaft in der Schweiz dem PSI die Fördermittel für den entsprechenden Zeitraum bereitstellt. Was diese Förderung bedeuten kann, zeigt beispielsweise der ungewöhnliche Anstieg der Anträge für Experimente an der SINQ, seitdem die Anlage in das EU-Programm aufgenommen wurde: in der Hoffnung auf erleichterten Zugang haben dreimal mehr Forschungsgruppen als bisher Experimentiervorschläge für Neutronenstreuung eingereicht. EU= Europäische Union SINQ: PSI-Neutronenquelle Myonen: schwere Elektronen µsr = Myon-Spin-Resonanz SLS = Synchrotron Lichtquelle Schweiz Mit der Zusicherung finanzieller Mittel und der hohen Bewertung fördert die EU die Nutzung von zwei Grossanlagen am PSI durch Forschende aus der EU. Im Bild sind Instrumente für die Neutronenstreuung an der SINQ zu sehen.

55 44 PSI-JAHRESBERICHT 2001 PSI: DAS BENUTZERLABOR Für den Betrieb des Ringbeschleunigers Hohe Verfügbarkeit bei hoher Leistung Protonenstrom: ist ein Mass für die Intensität der Protonen. Die Protonenintensität wird als Strom angegeben; 2 ma (Milliampère) entsprechen rund Protonen pro Sekunde. Kavität: Hohlraum, in dem geladene Teilchen beschleunigt werden. Das Ziel der Fachleute am Ringbeschleuniger für das Jahr 2001 war es, eine hohe Verfügbarkeit bei einem grossen Protonenstrom (mehr als 1.75 ma) zu erreichen. Im allgemeinen waren sie mit einer Verfügbarkeit von 90% und oft sogar von bis zu 98% erfolgreich. Es gab allerdings auch Defekte sowie Unterbrüche in der Strom- oder Wasserversorgung, welche Reparaturzeiten ausser Plan erforderten. Zeitweise gelangen aber auch lange unterbruchsfreie Strahlperioden bei 1.8 ma; keine Selbstverständlichkeit bei einer Anlage, deren Leistung im Verlauf von 25 Jahren um das zwanzigfache erhöht wurde. Nur ständige Optimierungen und Verbesserungen verhelfen zu einem zuverlässigen Betrieb des Ringbeschleunigers. Dazu tragen auch die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus der technischen Infrastruktur mit ihren hohen Fachkenntnissen wesentlich bei. Einige Beispiel dafür zeigen auch die folgenden zwei Seiten. Komponenten für eine Experimentieranlage (Spinrotator), deren Herstellung sich keine Firma zutraute, haben die Fachleute am PSI selber gefertigt. Für den Ringbeschleuniger stellt eine Firma in Frankreich zur Zeit eine neue Kavität her (rechts). Ab Herbst 2002 soll ein Prototyp am PSI getestet werden. Das Funktionieren einer Kavität stellt höchste Anforderungen an die Präzision. Um die Kavität an Ort mechanisch abzustimmen, haben Fachleute des PSI eine hydraulische Vorrichtung entwickelt (links). Mit einem Druck von 7 Tonnen ist damit eine dynamische Regulierung der Kavität auf genauer als 10 Mikrometer möglich.

56 PSI: DAS BENUTZERLABOR PSI-JAHRESBERICHT Für den Betrieb des Ringbeschleunigers Erneuerungen am Protonenstrahl Die Führung des Protonenstrahls zwischen den beiden Targets wurde im Jahr 2001 als letzte grosse Umbauarbeit wegen der Intensitätserhöhung angepasst. Die früheren Einrichtungen waren beim Bau des Beschleunigers für eine rund zwanzig Mal niedrigere Intensität gebaut worden. Während des Betriebsunterbruchs, der alljährlich für den Service geplant ist, sind die alten durch neu entwickelte Komponenten ersetzt worden. Eine sorgfältige Vormontage in einer nicht aktiven Umgebung (rechts) ausserhalb der Beschleunigeranlage war sehr wesentlich, um allfällige Konstruktionsund Fabrikationsfehler korrigieren zu können. Sie erwies sich als hilfreich, denn es traten auch unvorhergesehene, zeitaufwendige Probleme bei den Tests am Ort auf. Schon während der ersten Phase der Inbetriebnahme zeigten sich die neuen Komponenten aber als problemlos: alle Magnetelemente und Strahlmessgeräte funktionierten auf Anhieb. Nun ist auch der letzte Teil der Protonenstrahlführung bedienungsfreundlich und strahlenfest ausgebaut. Alle Elemente können von oben mit dem Kran demontiert werden. Target: Material, auf welches die Protonen auftreffen und darin neue Teilchen freisetzen. Probeaufbau für die Erneuerung der Protonen-Strahlführung zwischen den beiden Targets in einer nichtaktiven Umgebung. Einbau der neuen Strahlführung zwischen den beiden Targets.

57 46 PSI-JAHRESBERICHT 2001 PSI: DAS BENUTZERLABOR Für den Betrieb des Ringbeschleunigers Ästhetik, Physik, Mathematik und grosse Rechner CERN: Europäisches Laboratorium für Teilchenphysik Neutrino: ungeladenes und vielleicht masseloses Elementarteilchen Ergebnisse der Berechnungen von Teilchenpaketen für das abgebildete Injektorzyklotron des PSI. Nach jedem Umlauf sieht der Querschnitt des Protonenpakets im Beschleuniger anders aus: mit zunehmender Geschwindigkeit rollt es sich auf und läuft nicht auseinander. Diese Resultate basieren auf einer dreidimensionalen Berechnung mit einer Million Teilchen. Um im Ringbeschleuniger des PSI höhere Intensitäten und geringere Verluste zu erreichen, ist ein genaues Verständnis der Bewegung und Veränderung der Teilchenpakete im Beschleuniger und auf dem Weg durch die Strahlführungen notwendig. Weil die Protonen geladen sind, wäre zu erwarten, dass sie sich gegenseitig abstossen. Die Bedingungen in einem Beschleuniger und die hohen Teilchengeschwindigkeiten machen die Sache aber wesentlich komplizierter. Das tiefere Verständnis dieser Raumladungseffekte ist der Schlüssel zur Erhöhung der Intensität unserer Anlage und allgemein für die Neuentwicklung von Beschleunigern. Daher studiert eine PSI-Gruppe mit Modellen und Simulationen, wie sich die Teilchenpakete verhalten. Sie hat ein Programm für dreidimensionale Simulationen entwickelt, das die derzeit grössten Parallelrechner benötigt. Ein Ergebnis brachte im Jahr 2001 die dreidimensionale Berechnung für das PSI-Injektorzyklotron. Das beobachtete Strahlverhalten konnte bestätigt werden: das Protonenpaket im Beschleuniger rollt sich auf (Bild). Die Anwendung der Methode ist nicht auf ein bestimmtes Zyklotron beschränkt. Sie kann bei jeder Neukonzipierung und bei der Leistungssteigerung bestehender Beschleuniger sehr hilfreich sein. Kernstücke der Simulationen sind zudem sehr universell, z.b. auch in der Astrophysik, einsetzbar. Die PSI-Gruppe hat auch dreidimensionale Berechnungen für eine mehr als 550 m lange Strahlführungslinie am CERN durchgeführt und arbeitet am Speicherring-Konzept für die am CERN geplante Neutrino-Anlage mit. Die Forschenden versuchen, ihre Modelle durch Messungen am Beschleuniger rechnerisch anzugleichen. Damit erhalten sie sinnvolle physikalische Parameter, wenn keine direktere Möglichkeit existiert, diese experimentell zu bestimmen.

58 PSI: DAS BENUTZERLABOR PSI-JAHRESBERICHT Neue Möglichkeiten an der SINQ Neutronenstreuung: neue Detektoren und Apparaturen AMOR: Reflektometer RITA-II: Dreiachsenspektrometer TriCS: Einkristall-Difraktometer FOCUS: Flugzeitspektrometer Das Jahr 2001 brachte bei den Experimentiereinrichtungen an der SINQ erhebliche Fortschritte. Neben den bisherigen sieben Instrumenten steht den BenutzerInnen seit der zweiten Jahreshälfte AMOR zur Verfügung. Trotz eines verlängerten Serviceunterbruchs des Beschleunigers wurden rund 700 Instrumenttage von 130 Personen aus 10 verschiedenen Ländern genutzt. Die Nutzung durch Schweizer-Gruppen lag bei etwa 50 %. Wie auch in den vergangenen Jahren galt das Hauptinteresse mit 25 % dem Magnetismus, gefolgt von den Elektronensystemen, der Strukturbestimmung, der Dynamik sowie der Supraleitung (Grafik). Ein wichtiger Meilenstein war der Beginn einer engen Zusammenarbeit zwischen dem PSI und dem Risø National Laboratory (Dänemark). Nach der Abschaltung des dortigen Forschungsreaktors werden drei Instrumente für Neutronenstreuung an die SINQ verlagert und gemeinsam mit dem PSI betrieben. Eines davon, RITA-II, ist bereits seit dem Frühsommer 2001 am PSI in Betrieb, ein weiteres gleichartiges Instrument sowie eine Anlage für Neutronenstreuung unter kleinen Winkeln folgen später. Das Besondere an RITA-II ist ein Flächendetektor, der mehrere Messpunkte gleichzeitig aufnehmen kann, was die Effizienz des Geräts signifikant erhöht. Neben der instrumentellen Zusammenarbeit ist zwischen den beiden Instituten auch eine enge wissenschaftliche Kooperation vereinbart worden. % Instrumententage Stark korrelierte Elektronensysteme Quanten- Spinsysteme Supraleitung Struktur Dynamik Magnetismus Materialwissenschaften Polymere Kolloide Biologie Andere Monochromator: ein Gerät, das nur Teilchen von einer bestimmten Energie passieren lässt POLDI: Instrument für Spannungsmessungen Zusammenstellung der Forschungsthemen, die an der SINQ behandelt werden. Für jedes Thema sind die Anteile an verfügbaren Instrumententagen für die Jahre dargestellt. Auch im Jahr 2002 werden zahlreiche Verbesserungen die Attraktivität der SINQ weiter steigern. Die Instrumente TriCS und AMOR sollen mit Flächendetektoren ausgerüstet werden. Für FOCUS wird ein zweiter Monochromator bereit stehen, der die Auflösung bei Bedarf um den Faktor 10 verbessert (Bild). Schliesslich geht POLDI in Betrieb. Das ist ein neuartiges Instrument, mit dem innere Spannung von Proben gemessen werden können, weshalb eine starke Nachfrage aus den Materialwissenschaften zu erwarten ist (Seite 48). Der neue Glimmer-Monochromator für das Instrument FOCUS während seiner Vermessung.

59 48 PSI-JAHRESBERICHT 2001 PSI: DAS BENUTZERLABOR Neue Möglichkeiten an der SINQ POLDI ein innovatives Gerät für Spannungsmessungen Die Apparatur POLDI für die Messung von Spannungsfeldern im Inneren einer Probe. Die zerstörungsfreie Messung innerer Spannungen in Materialien ist auch heute noch schwierig. Bei der Entwicklung und Erforschung von Hochleistungsmaterialien, beispielsweise für Turbinenschaufeln oder Eisenbahnradreifen, sind solche Messungen aber von entscheidender Bedeutung. Nur Streumethoden liefern solche Informationen über die inneren Spannungsfelder. Synchrotronlicht ermöglicht zwar Messungen mit sehr guter räumlicher Auflösung, hat aber eine zu geringe Eindringtiefe. Für viele praktische Anwendungen sind daher Neutronen viel besser geeignet. Da sie weit ins Material eindringen, können mit Neutronenstreuung auch Werkstücke von 10 cm Dicke und mehr in der Tiefe untersucht werden. Spezielle, dafür optimierte Instrumente gibt es allerdings weltweit nur wenige. PSI-Fachleute haben dafür ein innovatives Konzept entwickelt und eine besondere Flugzeit-Apparatur gebaut (Bild). Sie kombinierten die Vorteile verschiedener Instrumententypen für die Messung von Spannungsfeldern und erreichten so bei optimaler Ausnutzung der Intensität höchste Ortsauflösung und grösste Flexibilität. Der massive Probentisch erlaubt auch Untersuchungen grosser Bauteile bis zu einem Gewicht von 6 Tonnen. Erste Messungen gegen Ende 2001 mit einem neuartigen am PSI entwickelten Detektor zeigten bereits die erfolgreiche Umsetzung des Konezpts. Den BenutzerInnen aus Hochschulen und Industrie steht POLDI ab Mitte 2002 zur Verfügung.

60 PSI: DAS BENUTZERLABOR PSI-JAHRESBERICHT Neue Möglichkeiten an der SINQ LISOR ein Experiment für extreme Bedingungen Systeme, die wie die SINQ Neutronen auf der Basis eines Beschleunigers erzeugen (Spallation), finden derzeit grosses Interesse. Sie sind sowohl als Neutronenquellen für die Grundlagenforschung, als auch im Zusammenhang mit zukünftigen Energiesystemen gefragt. Das Projekt MEGAPIE am PSI, bei dem ein Target aus flüssigem Metall (Blei-Wismut- Eutektikum) entwickelt wird, ist dafür ein wesentlicher Meilenstein. Eine der kritischen Komponenten eines solchen Targets ist das Strahlfenster. Das ist jene Stelle in der Stahlhülle für das Flüssigmetall, wo der intensive Protonenstrahl eindringt. Es ist einer komplexen thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt, und das Verhalten der Materialien unter diesen extremen Bedingungen ist bisher noch nicht ausreichend erforscht. Target: Material, auf welches bei der SINQ die Protonen auftreffen und darin Neutronen freisetzen. LISOR = Liquid metal-solid metal Reactions Mit dem Experiment LISOR wollen die Fachleute am PSI diese Fragen unter Bedingungen untersuchen, welche für MEGAPIE relevant sind. Es werden mechanisch belastete Proben des Strahlfensterwerkstoffs in einem 300 C heissen Blei-Wismut-Kreislauf an einem der PSI-Vorbeschleuniger mit Protonen bestrahlt. Die Belastung (Zugspannung) soll konstant bei etwa 50% der Streckgrenze des Materials gehalten werden, und die Expositionszeit wird jeweils 20 bis 60 Tage betragen. Mit diesem Experiment will die Forschungsgruppe herausfinden, ob sich die Reaktionen des Stahls mit dem Flüssigmetall Korrosion und Versprödung unter der Bestrahlung ändern und ob sie für das geplante Aufbau der Anlage für das Experiment LISOR, bei dem das Behältermaterial für ein Flüssigmetalltarget untersucht wird. Flüssigmetalltarget beherrschbar sind. Die Experimentieranlage besteht aus einem komplexen Flüssigmetallkreislauf mit umfangreichen Kontroll- und Sicherheitseinrichtungen (Bild). Sie wurde im Jahr 2001 als Teststand aufgebaut und ohne Strahl intensiv getestet. Nun wird sie am Beschleuniger installiert und kann im Jahr 2002 den Betrieb aufnehmen.

61 50 PSI-JAHRESBERICHT 2001 PSI: DAS BENUTZERLABOR Neue Möglichkeiten an der SINQ Ein neuer Magnet für höchste Ansprüche SANS: eine Experimentieranlage für Neutronenstreuung unter kleinen Winkeln. Experimentelle Ausstattungen, die höchsten Ansprüchen genügen, steigern die Attraktivität eines Benutzerlabors wesentlich. Für die Anlage SANS an der SINQ haben die Universitäten Birmingham (U.K.), Warwick (U.K.), Zürich und das PSI einen gekühlten Magneten (Kryomagnet) beschafft, der dann eine PSI-Gruppe in Betrieb nahm. Damit kann im Neutronenstrahl ein Hoch-Magnetfeld von bis zu 11 Tesla erzeugt und darin Proben bei Temperaturen zwischen 1.5 und 300 K ausgemessen werden. Eine aufwendige Mechanik, die durch das Magnetfeld nicht gestört wird, erlaubt es, den Magneten und die Probe in jede geeignete Richtung zum Neutronenstrahl zu drehen. In dieser Kombination ist die Apparatur weltweit einmalig, und erste Messungen an einem Hochtemperatursupraleiter (Seite 19) haben denn auch schon einmalige Ergebnisse geliefert. Der drehbare Magnet am Instrument SANS ermöglicht neuartige Messungen.

62 PSI: DAS BENUTZERLABOR PSI-JAHRESBERICHT Neue Möglichkeiten an der SINQ Neutronen-Tomographie von einmaliger Präzision Mit einer Anlage an der SINQ können Neutronen- Tomographiebilder d.h. dreidimensionale Durchleuchtungsbilder aufgenommen werden. Die Einrichtung ist im Jahr 2001 zu einem wirklichen Benutzergerät geworden, denn alle Instrumenten- Komponenten sind nun verknüpft und automatisiert. Damit wurden die Aufnahmezeiten verkürzt und die Qualität der Resultate deutlich verbessert. Je nach Objekt können die Fachleute nun die Bildgrösse von 2 cm bis 30 cm variieren und die Ortsauflösung von 0.5 mm bis zu bemerkenswerten 0.05 mm einstellen. Weil dies die einzige Neutronen-Tomographieanlage dieser Art ist, sind das Interesse und die Vielfalt der Untersuchungsobjekte entsprechend gross. Letztere reichen vom Airbag-Zünder über Turbinenschaufeln und gebrauchte Lithiumbatterien (unten) bis zu Meeresschnecken, antiken Bronzebeschlägen und Zuchtperlen (rechts). Mit Neutronen kann beispielsweise sogar eine Lackschicht von 0.1 mm Dicke auf einer Metalloberfläche gemessen und analysiert werden. Tropfenförmige Zuchtperle mit Hohlraum. Die Gesamtlänge beträgt 15 mm, die Pixelgrösse 0.05 mm. Gebrauchte Lithiumbatterie. Die Batterie ist 49 mm lang, der Durchmesser beträgt 25.4 mm und die Pixelgrösse 0.2 mm.

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64 PSI: DAS BENUTZERLABOR PSI-JAHRESBERICHT Die µsr-anlagen 2001 Auch den Benutzerinnen und Benutzern, welche für ihre Forschung die sogenannte µsr-methode einsetzen, konnte das PSI im Jahr 2001 verschiedene Erneuerungen zur Verfügung stellen. Für alle µsr- Anlagen entwickelten die PSI-Fachleute neue Datenerfassungssysteme. Sowohl die Hardware als auch die Software erneuerten sie und starteten im Jahr 2001 erfolgreich deren Betrieb. Für die Experimente mit Niederenergie-Myonen, dank denen extrem dünne Schichten studiert werden können, hat eine andere PSI-Gruppe eine neue Apparatur für die Kühlung von grossen Proben auf sehr tiefe Temperaturen gebaut (Kryostat). Die Basistemperatur ist nur 2K, was unter den gegebenen Bedingungen einer grossen Öffnung in Strahl-Richtung und elektrisch isolierter Probenträger sehr bemerkenswert ist. Eine weitere Neuerung des Jahres 2001 war ein Aufbau für das Abbremsen der Myonen, der die Rate der Niederenergie-Myonen nahezu verdoppeln wird. Eine spezielle Anlage, der sogenannte Spinrotator, wurde im Sommer 2001 fertiggestellt und wird das Messgerät mit Namen DOLLY stark aufwerten. µsr = Myon-Spin-Resonanz Temperatureinheiten: 273,16 K (Kelvin) entsprechen 0 C (Grad Celsius) DOLLY: ein Spektrometer für Experimente mit der µsr- Methode Das ALC-Spektrometer ist eine der Messapparaturen am PSI, bei der für die Forschung die µsr- Methode eingesetzt wird. Auch im Jahr 2001 waren die µsr-anlagen sehr gefragt. Rund 80 Experimente erhielten Strahlzeit, was total 440 Messtage an allen Instrumenten bedeutete. Beantragt hatte die Forschungsgemeinschaft allerdings 800 Tage. Die Herkunft der Benutzerinnen und Benutzer ist breit und sehr international: je etwa ein Achtel kommen aus der Schweiz, aus Deutschland, England und Russland, je ein Zehntel aus Frankreich und den USA sowie je ein Zwanzigstel aus den Niederlanden, aus Italien und Japan. Wie im Kapitel Forschung dieses Jahresberichts nachzulesen ist, ermöglichten auch die µsr-apparaturen wiederum interessante Resultate.

65 54 PSI-JAHRESBERICHT 2001 PSI: DAS BENUTZERLABOR Die SLS 2001: Stabilität und Präzision Weshalb die SLS Weltspitze ist SLS = Synchrotron Lichtquelle Schweiz Speicherring: darin zirkulieren die Elektronen auf einer Bahn von 288 m Umfang und senden dort Synchrotronlicht aus, wo sie besondere Magnetelemente (Ablenkmagnete, Wiggler, Undulatoren) durchqueren. Booster: beschleunigt die Elektronen aus dem Linac auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Linac = Linear Accelerator; Vorbeschleuniger an der SLS Das Jahr 2001 brachte für die SLS den Durchbruch. Nachdem bereits im Dezember 2000 der Elektronenstrahl erstmals gespeichert und das erste Synchrotronlicht erzeugt wurde, optimierte das SLS-Team im Jahre 2001 das Beschleunigersystem auf maximale Betriebsqualitäten. Die Zielwerte für Energie und Intensität der Elektronen, sowie für die Strahlgrösse und andere relevante Parameter wurden erreicht teilweise sogar übertroffen. Es zeigte sich, dass die innovativen Neuentwicklungen das gebracht hatten, was erwartet wurde. Ein digitales Positionsmesssystem kann die Lage des Elektronenstrahls im ganzen Speicherring nicht nur ultragenau, sondern auch extrem schnell messen. Neu entwickelte, digitale Kontrollen der Stromversorgungsgeräte für die Magnete (Seite 60) garantieren eine hohe Stabilität der Magnetfelder. Fortschrittliche Computerprogramme zur dynamischen Positionskorrektur und Energiestabilisierung nutzen diese Entwicklungen und garantieren damit eine Positionsstabilität des Lichtes, wie sie in einer Synchrotronlichtquellen noch nie erreicht wurde (Grafik Seite 55). Die Neuentwicklungen bei den Beschleunigerkomponenten ergänzte das SLS-Team durch ein völlig neues Konzept für den Hauptbeschleuniger, den Booster. Er ist im gleichen Tunnel wie der Speicherring installiert (Bild Seite 55), und seine vielen kleinen Magnete, erzeugen einen Elektronenstrahl mit sehr kleinen Abmessungen. Dieser wird dann verlustfrei in den Speicherring gelenkt. Eine besondere Beschleunigerstufe im Booster

66 PSI: DAS BENUTZERLABOR PSI-JAHRESBERICHT Y-Position [µm] Betriebsart, die bei der SLS angewendet wird heisst Top-up-Injektion. Dabei werden in kurzen Zeitabständen die verloren gegangenen Elektronen nachgefüllt, was die einzigartige Intensitäts- und Positionsstabilität überhaupt erst ermöglicht. Bei der Inbetriebnahme der SLS war die grosse Herausforderung, jene Betriebszustände zu erreichen, welche die herausragenden Eigenschaften der SLS ausmachen. Es sind dies die hohe Brillanz und der breite wählbare Wellenlängenbereich des Synchrotronlichts, die Erzeugung von ultrakurzen Wellenlängen im Röntgenbereich und die Strahlstabilität. Die starke Fokussierung des Elektronenstrahls zur Erzeugung der hohen Brillanz wurde erfolgreich eingestellt und Abweichungen wegen unvermeidlichen Magnet- und Positionierungsfehlern korrigiert. Das Team konnte ein präzises Modell der SLS-Anlage entwickeln, das einen Betrieb von höchster Präzision ermöglicht. Bereits wurden auch Undulatoren (siehe Seite 58/59) mit extrem kleinem Polabstand eingesetzt, und die SLS-Fachleute demonstrierten, dass sie die SLS auch damit ohne Einbussen der Strahlqualität betreiben können Rms Positionsschwankungen von ± 0.7µm über 17 Stunden X-Position [µm] Während einer Messung, die 17 Stunden dauerte, schwankte die Position des Synchrotronlichts um weniger als ein Tausendstel Millimeter. Die Energiestabilität betrug einige Hundertstel eines Promilles. Magnetelement im Speicherring Die SLS im Aufbau. Der Hauptbeschleuniger, der Booster (links im Bild) bringt die Elektronen auf die notwendige Geschwindigkeit. Anschliessend wird der Elektronenstrahl in den Speicherring (rechts) gelenkt, wo er stundenlang zirkuliert und an bestimmten Stellen Synchrotonlicht nach aussen sendet.

67 56 PSI-JAHRESBERICHT 2001 PSI: DAS BENUTZERLABOR Die SLS 2001: Stabilität und Präzision Die SLS ist für die BenutzerInnen bereit Strahllinien: die Verbindungslinien zwischen den Lichtquellen im Speicherring und den Experimentierstationen. Benutzer und Benutzerinnen der SLS trafen sich am 14. und 15. November 2001 am PSI. Schon bevor die SLS am 19. Oktober 2001 offiziell eingeweiht wurde, kamen externe Forscherinnen und Forscher, um deren Möglichkeiten zu nutzen. Die ersten Experimente führten sie an den Strahllinien für Proteinkristallographie und für Materialwissenschaften durch. Die Themen reichten von der Strukturbestimmung eines Proteins bis zum Studium der Härtung von Zement. Die Praxis, die Strahllinien gemeinsam mit den Benutzerinnen und Benutzern in Betrieb zu nehmen, erwies sich als fruchtbar. Die externen Fachleute lieferten nützliche Vorschläge für die Benutzerfreundlichkeit. Seit Herbst 2001 ist die Strahllinie für Proteinkristallographie in einem nahezu regulären Betrieb und wird sowohl von Forschungsgruppen aus den Universitäten als auch aus der Industrie genutzt. Dasselbe gilt auch für die Tomographie- und die Pulverdiffraktionsanlage an der Strahllinie für Materialwissenschaften. Das SLS- Benutzertreffen im November 2001 (Bild) war sehr gut besucht. Es wurden parallel Workshops zu den Themen abgehalten, welche an den verschiedenen Strahllinien erforscht werden. Bemerkenswert war das grosse Interesse an Anwendungen für Umweltwissenschaften. Die SLS will auch für diesen Wissenschaftszweig ausgezeichnete Forschungsmöglichkeiten bieten. Für 2004 sind daher zwei neue Strahllinien geplant, welche z.b. Untersuchungen chemischer Elemente ermöglichen, die für die Umwelt relevant sind. Vorschläge für Experimente an der SLS werden durch ein Komitee beurteilt.

68 PSI: DAS BENUTZERLABOR PSI-JAHRESBERICHT Die SLS 2001: Stabilität und Präzision Die ersten Strahllinien an der SLS An allen vier Strahllinien wurde termingerecht der wichtige Meilenstein «Licht auf der Probe» erreicht. Die Namen der vier Strahllinien geben das Forschungsthema an, sie heissen: «Oberflächen-/Grenzflächen-Spektroskopie» (SIS), «Oberflächen-/Grenzflächen-Mikroskopie» (SIM), «Materialwissenschaften» (MS) und «Proteinkristallographie» (PX). Ihre äusserst rasche Installation war nur dank optimaler Koordination der Aktivitäten der verschiedenen PSI-Abteilungen und dank der wichtigen Zusammenarbeit mit Fachleuten anderer Synchrotron-Lichtquellen (SPRING-8, BESSY, ELETTRA und APS) möglich. Terminlich wurde es für den Undulator UE56 (siehe Seite 59) an der SIM-Strahllinie etwas knapp, da dessen Installation erst im November 2001 begann. Die beiden Strahllinien für die Erforschung der Oberflächen verlangen sehr komplexe optische Einrichtungen, weil sie Licht einer einzigen Wellenlänge mit umschaltbarer Polarisation liefern sollen. Aber auch diese beiden Strahllinien sind in den ersten Monaten von 2002 für die Forschungsgruppen bereit. Wichtige Fortschritte machte auch die Entwicklung der sogenannten Pixel- und Streifendetektoren. Diese spielen bei den Strahllinien «Proteinkristallographie» und «Materialwissenschaften» eine entscheidende Rolle. Denn damit können ganze Streumuster mit sehr hoher Ortsauflösung simultan registriert werden. Sie sind auch schnell und daher für das Studium zeitlicher Veränderungen sehr gut geeignet. Polarisation: Schwingungsrichtung einer Welle Detektoren: Nachweisgeräte Vergleich der Messung von Röntgenstreuung an einem Proteinkristall. Das Streumuster links wurde mit einem konventionellen Detektor, jenes rechts mit dem neuartigen Pixel-Detektor des PSI aufgenommen. Im Berichtsjahr wurden erste Studien für ein neues Projekt an der SLS durchgeführt. Es geht darum, extrem kurze Synchrotronlichtpulse zu erzeugen, um damit sehr schnelle Vorgänge in Proben online zu untersuchen. Weitere Strahllinien auf dem Gebiet der sogenannten Mikro-XAFS und der Infrarot-Spektroskopie sind geplant. Die existierenden Strahllinien für Oberflächenforschung sollen ausgebaut werden, um neue Anlagen für weitere Experimentiermethoden zu ermöglichen. Neuartiger Pixel-Detektor, an der Strahllinie installiert.

69 58 PSI-JAHRESBERICHT 2001 PSI: DAS BENUTZERLABOR Die SLS 2001: Stabilität und Präzision Vier besondere Quellen des Lichts: Drei Undulatoren und ein Wiggler Die eigentlichen Quellen des Synchrotronlichts sind magnetische Elemente im Speicherring sogenannte Wiggler und Undulatoren in denen sich die Elektronen auf engen Slalombahnen bewegen. Die Eigenschaften der Synchrotronstrahlung und damit die Qualität der Forschung hängen also sowohl von der SLS-Anlage selber und den Messapparaturen am Ende der Strahllinien als auch von diesen Magnetelementen ab. Einen Eindruck ihrer technischen Schönheit geben die folgenden Bilder. Dieser Undulator (U24) an der Strahllinie «Proteinkristallographie» liefert Synchrotronlicht von sehr hoher Brillianz bis zu Energien, die für Messungen an Proteinkristallen genügend hoch sind. Der Polabstand beträgt nur 6.5 bis 4 mm, und der Einsatz eines solchen Undulators ist nur dank der hohen Qualität des Elektronenstrahls im Speicherring möglich.

70 PSI: DAS BENUTZERLABOR PSI-JAHRESBERICHT Am Anfang der Strahllinie «Oberflächen-/Grenzflächen-Spektroskopie» steht der Undulator UE212 (Periode 212 mm) und erzeugt Synchrotronlicht das zirkular polarisiert ist. Damit können beispielsweise dünne Schichten von Supraleitern erforscht werden. Oben: An der Strahllinie «Materialwissenschaften» ist hohe Intensität auf einer kleinen Fläche, d.h. eine hohe Flussdichte, bei kurzen Wellenlängen gefragt. Deshalb steht an deren Beginn ein Wiggler im Speicherring (W61). Seine Periode von 61mm ist relativ klein, ebenso der Polabstand von 7.5 mm. Er ist so optimiert, das beispielsweise Tomographie von bester Qualität möglich ist. Die Strahllinie «Oberflächen-/Grenzflächen- Mikroskopie» verfügt dank dem Undulator UE56 (Periode 56 mm) über einen Strahl, dessen Polarisation zwischen zirkular und linear wählbar ist. Dies ist bei dynamischen Untersuchungen beispielsweise für die magnetische Datenspeicherung notwendig.

71 60 PSI-JAHRESBERICHT 2001 PSI: DAS BENUTZERLABOR Die SLS 2001: Stabilität und Präzision 580 neuartige Stromversorgungsgeräte Die Stromversorgungsgeräte für die Magnete der SLS sind digital geregelt. Diese Regelung ist präzis und schnell, was den PSI- Fachleuten anfänglich fast niemand glauben wollte. Die SLS ist die erste Anlage, bei der die Stromversorgungsgeräte für die Magnete digital geregelt sind. Auf diese Art der Regelung wurde bis heute verzichtet, da allgemein bezweifelt wurde, dass die notwendige Präzision und Geschwindigkeit erreicht werden können. Aber PSI-Fachleute wagten sich an diese Entwicklung, waren äusserst erfolgreich und tragen damit wesentlich zur Qualität der SLS bei. Heute sind über 580 Geräte im Einsatz. Neben den rund 500 Geräten für die Magnete des Booster und des Speicherrings kamen weitere 80 für die Strahllinien hinzu. Die Regelung basiert auf hochpräzisen Analog-Digital- Wandlern und auf einem leistungsfähigen Signalprozessor. Das ermöglicht identische Kontroll-Hardware für fast alle Geräte, völlig neue Funktionalitäten, sehr hohe Integrationsdichte, einfache Änderungen der Funktionen durch Umprogrammierung und schnelle Software-Updates von zentraler Stelle aus. Die sehr guten Resultate zeigen, dass diese Lösung die Anforderungen bezüglich Präzision und Geschwindigkeit vollumfänglich erfüllt.

72 PSI: DAS BENUTZERLABOR PSI-JAHRESBERICHT Hotlabor Erneuerungen im Hotlabor Das Hotlabor am PSI dient der angewandten Materialforschung an stark radioaktiven Proben und der Entsorgungsforschung. Die Proben stammen hauptsächlich aus Reaktorkernen von Kraftwerken sowie aus Forschungsreaktoren, der SINQ und dem Ringbeschleuniger des PSI. Die Hotlabor-Einrichtungen müssen jederzeit für materialwissenschaftliche Arbeiten und Schadensanalysen an Komponenten von schweizerischen Kernkraftwerken zur Verfügung stehen. Diese Dienstleistungsmöglichkeit aufrecht zu erhalten, war eine grosse Herausforderung bei der Erneuerung des Hotlabors und wurde sehr gut gemeistert. Nach über 35 Betriebsjahren führten die Fachleute im Jahr 2001 die sicherheitstechnische Erneuerung des Hotlabors unter grossen Schutzvorkehrungen erfolgreich durch. Hauptsächliches Ziel war es, die im Laufe der Zeit entstandenen strahlenschutz- und brandschutztechnischen Mängel zu beheben, auch um die neue verschärfte Strahlenschutzverordnung erfüllen zu können. Zudem wurden die Gebäudestruktur verbessert, die Werkstatt für radioaktive Materialen erweitert und ein Aktivkomponentenlager eingerichtet. Das Hotlabor während der Erneuerung. Oben erste Arbeiten auf dem Dach für den neuen Medieninstallationskorridor, von dem aus alle Räume vertikal erschlossen wurden. Unten ein renoviertes Labor.

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74 AUS- UND WEITERBILDUNG PSI-JAHRESBERICHT bildung Aus- und Weiterbildung Doktorandinnen und Doktoranden Für die Lehrlinge Für die Mittelschulen

75 64 PSI-JAHRESBERICHT 2001 AUS- UND WEITERBILDUNG Doktorandinnen und Doktoranden Einige Zahlen An den Anlagen des PSI führen rund 240 Studierende im Rahmen externer oder interner Forschungsgruppen ihrer Doktorarbeit durch. Sie werden von PSI-Angehörigen und externen Hochschulprofessor- Innen betreut. Diese Doktorandinnen und Doktoranden studieren im Hauptfach vor allem Physik, Chemie und Ingenieurwissenschaften und kommen überwiegend von der ETH Zürich, der ETH Lausanne und den Universitäten Bern, Basel und Zürich. Im Jahr 2001 schlossen 30 Studierende ihre Doktorarbeit am PSI ab. Acht davon waren Frauen immerhin sechs mehr als im Vorjahr. Andere, 19% Physik, 28% Andere Inland, 1% Ausland, 7% Ingenieurwissenschaften, 23% UNI GE/LS/NE/FR, 2% UNI BE/BS/ZH, 19% Biologie, 7% Chemie und Biochemie, 23% EPFL, 11% ETHZ, 60% Aufteilung der Doktorandinnen und Doktoranden, die am PSI angestellt sind, nach Hauptfächern. Davon sind erfreulicherweise 27% Frauen. Herkunft der Studierenden, die an den Anlagen des PSI ihre Doktorarbeit durchführen.

76 AUS- UND WEITERBILDUNG PSI-JAHRESBERICHT Doktorandinnen und Doktoranden Ein besonderes Angebot: Kurse in Bioinformatik Die Bioinformatik verbindet die Gebiete Molekularbiologie, Biochemie und Genetik mit der theoretischen und praktischen Informatik sowie der Computersprachlehre. Sie ist entstanden, weil es heute notwendig ist, mit grossen Mengen von biochemischen und genetischen Daten umzugehen. Das Ziel ist es, dadurch die Komplexität lebender Organismen zu verstehen. Als Anwendung stehen hinter der Bioinformatik die Diagnose von Krankheiten und der Entwurf neuer biologischer Wirkstoffe, z. B. neuer Medikamente. Die Bioinformatik ist ein Wissensgebiet, das sich rasant entwickelt, bei dem aber das Ausbildungsangebot noch ungenügend ist. Daher bietet das PSI einen praxisorientierten Kurs in Bioinformatik an. Er wendet sich an Doktorandinnen und Doktoranden, die lernen wollen, effektiv mit biologischen Daten zu arbeiten und die entsprechende Software einzusetzen.

77 66 PSI-JAHRESBERICHT 2001 AUS- UND WEITERBILDUNG Für die Lehrlinge Die Berufsausbildung am PSI Die frischgebackenen Berufsleute feiern ihren erfolgreichen Ausbildungsabschluss. Die neuen Lehrlinge des PSI im Jahr Die Berufsausbildung ist am PSI ein wichtiges Anliegen. Nach einer ständig steigenden Zahl von Lehrlingen, bildet das PSI heute 75 junge Leute in 13 Berufen aus. Im Jahr 2001 schlossen 20 Lehrlinge ihre Berufsausbildung am PSI ab. Über alle Berufsgruppen gerechnet, war der Notendurchschnitt 5.0. Ein schöner Erfolg und ein guter Grund, die Gratulation des PSI-Direktors mit Stolz entgegenzunehmen. Ende August erhielten die jungen Berufsleute ihren Fähigkeitsausweise, und ihr Abschied vom PSI wurde gebührend gefeiert (Bild links). 22 neue Lehrlinge begannen im Sommer 2001 ihre Berufsausbildung am PSI (Bild unten). Wie in den letzten zwei Jahren hatten die jungen Leute während der ersten Arbeitswoche Gelegenheit, das PSI kennen zu lernen. Sie erhielten beispielsweise auf einem Rundgang und durch einen Besuch im psi forum einen ersten Eindruck von ihrem zukünftigen Arbeitsumfeld. Dass ihnen der Direktor selber eine Einführung über das PSI gab, fanden die jungen Leute sehr bemerkenswert. Die neuen Lehrlinge bilden sich am PSI in den Berufen AtomatikerIn, ChemielaborantIn, ElektronikerIn, InformatikerIn, KonstrukteurIn, Kaufmännische(r) Angestellte(r), Logistik- AssistentIn PhysiklaborantIn, PolymechanikerIn, Restaurationsangestellte(r) und HolzbearbeiterIn aus. Weil das PSI ein multidisziplinäres Forschungsinstitut ist, bietet es optimale Voraussetzungen für eine ganzheitliche Berufsausbildung. Dies ist denn auch ein wichtiges Anliegen der Fachleute, die am PSI für die Lehrlinge verantwortlich sind.

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79 68 PSI-JAHRESBERICHT 2001 AUS- UND WEITERBILDUNG Für die Mittelschulen Ein neuartiges Angebot für Lehrkräfte von Mittelschulen Eine der Schulklassen, die am Austausch zwischen Schule und Wissenschaft beteiligt waren. In den Mittelschulen gehören Physik und Chemie bekanntlich nicht zu den beliebtesten Fächern. Um den Naturwissenschaften dort neue Impulse zu geben, ergriff das PSI die Initiative. Es bot den Mittelschullehrerinnen und -lehrern der naturwissenschaftlichen Fächer einen Aufenthalt am PSI an. Damit sollen sie Abstand vom Schulalltag gewinnen und durch Mitarbeit in der Praxis erleben, was heute in der Forschung geschieht. Dann könnten sie so die Hoffnung mit neuerwachter Begeisterung für ihre Wissenschaft unterrichten. Diese Idee wurde im Jahr 2001 ein erstes Mal mit Erfolg ausprobiert. Und zwar ohne komplizierte Organisationsmassnahmen. Ein Forscher des PSI und ein Physiklehrer einer Aargauer Kantonsschule tauschten einfach ihre Plätze. Und der Versuch war ein Erfolg. Beide berichteten über viele neue Erkenntnisse und empfahlen, dass dieses Angebot des PSI unbedingt eine permanente Form finden solle. Die Bemühungen, eine dafür geeignete Organisationsform zu finden, sind noch im Gang. Eine anderes, unerwartetes Ergebnis: Schülerinnen und Schüler, die während des Austauschs mit dem PSI in Berührung kamen, arbeiten jetzt im Rahmen eines Projektunterrichts an einer Homepage für das derzeitige PSI-Forschungsprojekt des «Austauschlehrers».

80 AUS- UND WEITERBILDUNG PSI-JAHRESBERICHT Für die Mittelschulen Die PSI-Herbstschule für Maturandinnen und Maturanden Die PSI-Herbstschule fand im Jahr 2001 zum achten mal statt. Zwei Maturandinnen und zehn Maturanden von Mittelschulen der Kantone Aargau, Solothurn und Neuenburg verbrachten am PSI eine Woche, für die es sich nach Aussage der jungen Leute gelohnt habe, einen Teil der Herbstferien einzusetzen. Offenbar fand das Thema «Beiträge von Forschung und Technik für eine nachhaltige Zukunft» ihr uneingeschränktes Interesse. Zahlreiche Fachleute des PSI ermöglichten ihnen einen Streifzug durch Projekte des PSI, die sich mit Nachhaltigkeit befassen, und machten ihnen das Potential nachhaltiger Technologien bewusst. Es ging beispielsweise um globale Klimaveränderungen, Die Maturandinnen und Maturanden der PSI-Herbstschule im Jahr um die Reaktionen von Ökosystemen auf Klimaveränderungen und Luftschadstoffe, um die ganzheitliche Beurteilung von Energiesystemen, um neuartige, umweltfreundlichere Automobilkonzepte, um Solartechnologie und um Recycling und Entsorgung von radioaktivem Material. Die PSI- Fachleute sind überzeugt, dass sie mit dieser Herbstschule einen Beitrag zur Nachhaltigkeit mit Langzeitwirkung geleistet haben. Solarkonzentrator am PSI

81 70 PSI-JAHRESBERICHT 2001 AUS- UND WEITERBILDUNG Für die Mittelschulen Kurse in Strahlenschutz für LehrerInnen der Mittelschulen Die Strahlenschutzschule des PSI vermittelt in erster Linie für fachspezifische Bereiche wie Kernanlagen, Medizin, Notfallorganisationen, Transportwesen und Chemielaboratorien Strahlenschutz- Kompetenzen (Bild). Sie bietet aber auch Kurse für Lehrpersonen von Kantonsschulen und Gymnasien sowie Einführungskurse für Mittelschulklassen an. Damit trägt das PSI dazu bei, dass das Wissen über ionisierende Strahlen und der praktische Umgang damit zu einem Bestandteil der naturwissenschaftlichen Grundausbildung werden. In der Strahlenschutzschule des PSI. Ein Beispiel dafür war im Jahr 2001 der Tag unter dem Titel «Phänomene und Experimente aus der Welt der natürlichen Radioaktivität». Kompetente Fachleute des PSI führten den Lehrkräften aus der ganzen Schweiz die verschiedenen Erscheinungsformen von Strahlen in der uns umgebenden Umwelt vor. Ganz praktisch wurden z.b. Radon und dessen Folgeprodukte gemessen; in der Luft, im Trinkwasser, in Baumaterialien und Gesteinen, in Düngemitteln sowie in uranhaltigen Glasuren von Alltagskeramik. Mit einfachen, überblickbaren Computerprogrammen wurde die Zerfallskurve von Radon aufgezeichnet und dessen Halbwertszeit bestimmt. Dank eines Sponsors konnten die Lehrkräfte nicht nur neue Erkenntnisse, sondern auch Unterrichtsunterlagen, einen Experimentierkoffer und ein Strahlenmessgerät mitnehmen. Auch solche Kurse zeigen, dass die Strahlenschutzschule des PSI für Probleme und Fragen im Umgang mit Radioaktivität eine wichtige Auskunftsfunktion im öffentlichen Umfeld wahrnimmt.

82 AUS- UND WEITERBILDUNG PSI-JAHRESBERICHT Für die Mittelschulen Mittelschulklassen besichtigten die SLS Als im Herbst die Synchrotron Lichtquelle Schweiz, die SLS, eingeweiht wurde, lud das PSI auch Mittelschülerinnen und Mittelschüler ein, diese einmalige Forschungsanlage zu besichtigen. Auch wenn an manchen Schulen der PSI-Besuch freiwillig war, fand die Einladung ein derart grosses Interesse, dass dieser Tag für Mittelschulen zweimal durchgeführt werden musste. Das PSI versuchte, den rund 400 Schülerinnen und Schülern sowie 30 Lehrerinnen und Lehrern in Präsentationen und auf einem Rundgang seine Forschung und die SLS näher zu bringen. Sie kamen aus Kantonsschulen und Gymnasien der Kantone Aargau, Zürich, St. Gallen, Solothurn, Baselland sowie aus Mittelschulen des Süddeutschen Raums. Und dieses Angebot war ein grosser Erfolg, so schrieb beispielsweise einer der Lehrer: «Schüler und Lehrer der Kantonsschule Limmattal waren sich einig: Dieser Tag war etwas vom besten, was an Informationsveranstaltungen in der Schweiz je geboten wurde. Die Schüler waren von den Vorträgen weder überfordert noch gelangweilt, und ich selbst sah wieder einmal, wie facettenreich Forschung sein kann.»

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84 VERWERTUNG VON WISSEN PSI-JAHRESBERICHT transfer Verwertung von Wissen

85 74 PSI-JAHRESBERICHT 2001 VERWERTUNG VON WISSEN Patentanmeldungen Beispiele 2001 Kapsel zur Entnahme von Abluftproben und ihre Einbauten. Damit sind simultane Messung verschiedenster radioaktiver Spaltprodukte möglich. Die Verwertung von Wissen ist für das PSI von grosser Bedeutung. Die Wirtschaft erhält damit neue Impulse, was bestehende Arbeitsplätze sichern oder neue schaffen kann. Eine der direktesten Wissensvermittlungen des PSI ist sicher die Ausbildung von Berufsleuten und AkademikerInnen, die dann ihre Fähigkeiten in der Privatwirtschaft einsetzen. Andere Formen sind die Zusammenarbeit mit der Industrie in der angewandten Forschung, die gemeinsame Entwicklung neuer Produkte zur Marktreife, die Spinoffs aus der Grundlagenforschung und wenn die Erfindung eine erfolgreiche Umsetzung auf dem Markt verspricht die Patentanmeldung. Einige Beispiele sind hier kurz erwähnt oder auf den folgenden Seiten beschrieben. Bei einer Erfindung ging es um einen strukturierten Katalysatorträger für Prozesse mit hohem Wärmeoder Kühlbedarf. Er verbessert den Wärmeübergang und erhöht die Produktausbeute, indem die Strömungsrichtung festgelegt werden kann. Eine andere Patentanmeldung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Radioaktivität in der Abluft von Kernkraftwerken, wenn eine Druckentlastung des Reaktor-Containments notwendig ist. Mit einer Kapsel können Proben der Abluft ohne Hilfsenergie entnommen werden (Bild). Ebenfalls am PSI wurde ein besonderes Beobachtungsfenster (ein Monokristall aus stabilisiertem Zirkoniumoxid) erfunden. Es bleibt auch unter extremen Bedingungen transparent und ermöglicht daher die Überwachung, Steuerung und Analyse von Prozessen bei hohen Temperaturen und aggressiven Lösungen. Ein neuartiges Verfahren für die Gewinnung von Metallen aus Metalloxiden, die bisher sehr energieaufwendig ist, hat das PSI ebenfalls zum Patent angemeldet. Die Erfindung des PSI benötigt dank dem Zusetzen der richtigen Menge von Kohlenwasserstoffen wie z.b. Methan keine zusätzlichen Wärmequellen und keine Katalysatoren.

86 VERWERTUNG VON WISSEN PSI-JAHRESBERICHT Superleistung mit Supercaps Eine Forschungsgruppe des PSI entwickelte in jahrelanger Zusammenarbeit mit den Firmen ABB, Leclanché und montena SA neuartige elektrochemische Energiespeicher sogenannte Supercaps und deren Komponenten. Supercaps haben verschiedene Vorteile: Die Speicherkapazität ist dank einer gezielten Vergrösserung der Elektrodenoberfläche im gleichen Volumen viel grösser als jene von konventionellen Kondensatoren. Die elektrische Energie wird in einer elektrochemischen Doppelschicht gespeichert (siehe folgender Beitrag), weshalb auch keine chemischen Umwandlungen wie z. B. in der Bleibatterie stattfinden. Die Supercaps können innerhalb von Sekunden geladen und noch viel schneller entladen werden. Sie ertragen zudem bis zu Lade- und Entladezyklen. Supercaps können z.b. in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb (Seite 38) zur Leistungssteigerung eingesetzt werden. Sie liefern die Spitzenleistungen für Supercaps, wie sie beim Brennstoffzellenfahrzeug von PSI und VW eingesetzt werden. Sie enthalten eine am PSI entwickelte Elektrode und werden von der Firma montena SA produziert. kurzzeitige Beschleunigungen, während die Brennstoffzelle den Energiebedarf bei konstanter Geschwindigkeit deckt. Zudem kann die Bremsenergie durch Speicherung in den Supercaps zurückgewonnen werden. Elektroden für Supercaps Eine Gruppe des PSI erforscht Reaktionen und Vernetzungen von Polymeren mit Kohlenstoffmaterialien, beispielsweise mit Industrie-Russ und Aktivkohle. Damit haben sie bessere Elektroden für Ladungs- speicherung in der elektrischen Doppelschicht entwickelt, die in den Supercaps des PSI eingesetzt wurden. Erstmals ist dabei das Kohlenstoffmaterial auf chemischem Weg gebunden und nicht wie bisher als Oberflächenschicht aufgebracht. Und wie erwartet, reduziert diese chemische Verbindung Limitierungen, wie beispielsweise den elektrischen Widerstand. Die Reaktionen mit dem Kohlenstoffmaterial führte die Forschungsgruppe unter Stickstoffatmosphäre durch. In umfangreichen Versuchsreihen variierte sie die Polymere, untersuchte die Produkte und analysierte schliesslich die elektrochemischen Eigenschaften der Elektroden. Im Jahr 2001 stellten die Forschenden das chemisch gebundene Material her. Vorrichtung zur Erzeugung der neuartigen Elektroden für die Supercaps.

87 76 PSI-JAHRESBERICHT 2001 VERWERTUNG VON WISSEN Lithium-Ionen-Batterien: umweltfreundlicher und sicherer Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien enthalten in der positiven Elektrode (Grafik) das sehr teure und krebserregende Oxid LiCoO 2. Eine PSI-Gruppe setzte sich deshalb zum Ziel, dafür ein besseres Material zu finden. Sie befasst sich allgemein mit der Entwicklung von umweltfreundlicheren und gleichzeitig kostengünstigeren Materialien und Komponenten für die Speicherung elektrischer Energie. Daher wollte sie auch Lebensdauer und Sicherheit dieser Batterie erhöhen. Prinzip der Funktionsweise einer Lithium-Ionen- Batterie Im Jahr 2001 haben die PSI-Fachleute nun ein neuartiges Oxid zum Patent angemeldet, das für die Verwendung in Lithium-Ionen-Batterien geeignet ist. Das PSI hat die Patentanmeldung an die Firma Ferro GmbH Frankfurt/Main verkauft und die Technologie dorthin transferiert. Mit dem neuartigen Material wird die Lithium-Ionen-Batterie sowohl über eine hohe Speicherdichte als auch bezüglich der Ladeund Entladezyklen über eine einzigartige Lebensdauer und Effizienz verfügen. Kurzfristig sollen die neuartigen Batterien in kleinen mobilen Anwendungen wie Mobiltelefonen oder Laptops, langfristig in Elektro- und Hybridfahrzeugen sowie in Brennstoffzellenfahrzeugen als Bordbatterien eingesetzt werden. Auf diesem Gebiet arbeitet das PSI seit vielen Jahren erfolgreich mit der Anorganischen Chemie der ETH Zürich zusammen. Die ETH entwirft neue Strukturen und stellt die Oxide her. Die PSI-Gruppe verarbeitet die Oxide zu Elektroden (links) und testet sie in Batterien. Im Labor für Elektrochemie des PSI werden die neuartigen Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien hergestellt.

88 VERWERTUNG VON WISSEN PSI-JAHRESBERICHT An der Hannovermesse 2001 Das PSI beteiligte sich auch im Jahr 2001 am Gemeinschaftsauftritt des ETH-Bereichs an der Hannovermesse. Als Beispiel zeigte das PSI einen Schnellfixierverschluss (Bild). Dieses Befestigungssystem wurde am PSI für die Positionierungen der Patientinnen und Patienten bei der Protonentherapie erfunden. Es ist aber allgemein verwendbar und zeichnet sich durch hohe Präzision und einfache, schnelle Handhabung aus. Erste Kontakte mit interessierten Messebesuchern waren vielversprechend und mündeten in Verhandlungen für die Verwertung dieses Schnellfixierverschlusses. Das PSI verfolgt an der Hannovermesse aber nicht nur das Ziel, ein bestimmtes Projekt in die Industrie zu transferieren. Es geht ganz allgemein darum, neue Kontakte mit Wirtschaft und Politik zu knüpfen, die Tätigkeiten des PSI darzustellen, sein Know-how bekannt zu machen und zu zeigen, dass sich das PSI für die Verwertung seiner Erkenntnisse einsetzt. Die Hannovermesse 2001 brachte in diesem Sinne auch neue Kontakte für andere PSI-Forschungsthemen wie z.b. für die Brennstoffzellen oder für Methoden wie die Neutronenradiographie. Eine PSI-Mitarbeiterin demonstriert den Schnellfixierverschluss. Das PSI hat ihn für medizinische Zwecke entwickelt, aber sein Anwendungsfeld ist unbegrenzt breit.

89 78 PSI-JAHRESBERICHT 2001 VERWERTUNG VON WISSEN Kalk brennen mit Sonnenlicht Die Kalk- und Zementindustrie produziert riesige Mengen an CO 2 und anderen Treibhausgasen. Wenn beim Kalzinierungsprozess die fossilen Brennstoffe durch Solarenergie ersetzt werden, kann ein Teil dieser Schadstoffemissionen verhindert und damit zur Verbesserung der weltweiten Klimasituation beigetragen werden. Daher entwickelte eine PSI-Gruppe in Zusammenarbeit mit der Firma QualiCal AG, Lugano, einen Solarreaktor für die Herstellung von Kalk bei hohen Temperaturen in einem Solarkonzentrator. Test des 10 kw-solarreaktors zur Herstellung von Kalk im Solarkonzentrator des PSI. Hier sind das Fördersystem (oben), die Reaktionskammer (rechts oben) und die wassergekühlte Frontplatte (rechts unten) zu sehen. Im Jahr 2001 haben die Forschenden erfolgreich einen 10 kw-solarreaktor entwickelt und gebaut (links), wozu auch ein innovatives Fördersystem für den kontinuierlichen Betrieb, eine rotierende, feuerfeste Reaktionskammer und eine wassergekühlte Frontplatte gehören (unten). Die erfolgreichen Experimente im Solarofen des PSI zeigten, dass ein Kalzinierungsgrad von mehr als 98% erreichbar ist, dass der thermische Wirkungsgrad schon ohne optimierten Reaktor 10 15% beträgt, und dass Kalk von unterschiedlicher Qualität hergestellt werden kann. Gewöhnlicher Kalk aus einem kleinen dezentralen Solarofen könnte z.b. dem Strassen- und Häuserbau in abgelegenen Gebieten dienen. Eine Solaranlage könnte aber z.b. auch spezielle Arten von Kalk für die chemische Industrie produzieren. Nicht nur war die Idee, die fossilen Brennstoffe beim Kalkbrennen durch konzentrierte Sonnenenergie zu ersetzen, einmalig. Das Ergebnis ist auch befriedigend, denn der solar hergestellte Kalk genügt den Anforderungen der Industrie. Dank den Erfolgen mit der Testanlage, den Modellrechnungen und den Kostenschätzungen sind die PSI-Fachleute überzeugt, dass eine Anlage von etwa 0.5 MW zur solaren Herstellung von Kalk technisch und wirtschaftliche machbar ist.

90 VERWERTUNG VON WISSEN PSI-JAHRESBERICHT Wie heiss ist es in einem Solarkonzentrator? Im Brennfleck des Solarkonzentrators am PSI können Temperaturen von 2000 C oder mehr entstehen. Mit dieser Anlage erforschen PSI-Fachleute z.b. das vorgängig beschriebene Kalkbrennen oder die direkte Umwandlung des Sonnenlichts in chemische Energieträger, womit die Sonnenenergie transportierbar gespeichert wird. Für solarchemische Prozesse ist die Kenntnis und die Kontrolle der Reaktionstemperatur von zentraler Bedeutung. Denn nur eine genaue Messung der Temperatur der beteiligten Stoffe erlaubt es, den Reaktionsverlauf zu bestimmen und damit solarchemische Reaktoren zu entwerfen. So hohe Temperaturen erfordern aber komplizierte Messungen, weshalb Forschende des PSI ein Messgerät (Pyrometer) entwickelten. Damit können sie die Wärmestrahlung analysieren und daraus die Oberflächentemperaturen im Sonnenofen des PSI berechnen. Im Jahr 2001 haben sie das Pyrometer auf den Stand eines industriellen Prototyps entwickelt und damit eine mehrjährige Arbeit abgeschlossen. Im Solarkonzentrator des PSI entstehen sehr hohe Temperaturen. Diese Messapparatur ist weltweit die einzige, mit der die Temperatur einer matten Oberfläche unter intensivem Fremdlicht, z.b. bei konzentrierter Solarstrahlung, gemessen werden kann. Das Messverfahren hat ein Team des PSI entwickelt. Die Softwareentwicklung starteten zwei Informatikstudenten der Fachhochschule Aarau. Einer davon führte sie nach seinem Schulabschluss im Auftrag des PSI und in enger Zusammenarbeit mit einem der PSI-Forscher zu Ende.

91 80 PSI-JAHRESBERICHT 2001 VERWERTUNG VON WISSEN Epiphaniometer wird verkauft Das Epiphaniometer ist ein am PSI vor 10 Jahren entwickeltes Gerät, das winzige Teilchen in der Umgebungsluft sogenannte Aerosolpartikel (siehe auch Seite 39) in kleinsten Konzentrationen messen kann. Es wird heute immer deutlicher, dass die feinen, lungengängigen Partikel gesundheitsschädigend sind. Sie müssen also kontrolliert und reduziert werden, was das wachsende Interesse am PSI-Messgerät erklärt. Das PSI hat das Epiphaniometer weiterentwickelt, für die Steuerungselektronik und die automatische Funktionsüberwachung war die Fachhochschule Aarau zuständig. Die Firma Matter Engineering AG, Wohlen, stellt das Gerät her. Das Epiphaniometer Das Epiphaniometer beruht auf folgendem Prinzip: in der Messkammer lagern sich unstabile Bleiatome aus einer radioaktiven Quelle an den Aerosolpartikeln der Umgebungsluft an. Der Zerfall der Bleiatome wird dann registriert und ist ein Mass für die Konzentration der Aerosolpartikel. Die Messungen sollen ohne direkte Aufsicht möglich sein. Deshalb sind hohe Zuverlässigkeit und Selbstkontrolle erforderlich, was die Elektronik der Fachhochschule Aarau gewährleistet. Sie ermöglicht einerseits eine lokale Datenspeicherung über 6Monate und anderseits eine Fernübertragung mit Telefon und Internet. Ein Prototyp des Geräts steht nun für den Nachbau bei der Firma Matter Engineering AG. Ein zweites Exemplar ist an einer Universität in den USA, mit der das PSI zusammenarbeitet, im Einsatz. Bis zum Frühjahr 2002 sollen rund sieben Messgeräte zu einem Preis von etwa Franken pro Stück gebaut werden.

92 VERWERTUNG VON WISSEN PSI-JAHRESBERICHT Stickoxidreduktion bei Dieselfahrzeugen Im Jahr 2005 werden die EU-Grenzwerte für grosse Dieselmotoren in Kraft treten. Bis dann müssen also sowohl der Partikel- als auch der Stickoxidausstoss reduziert werden können. Eine vielversprechende Möglichkeit zur Stickoxidreduktion ist am PSI entwickelt worden. Dieses Verfahren der Abgasnachbehandlung musste aber für den mobilen Einsatz weiterentwickelt werden. Die PSI-Gruppe setzte ihre Erkenntnisse der vergangenen Jahre in einem gemeinsamen Projekt mit Industriepartnern direkt in einem Demonstrationssystem mit Marktchancen um. In Zusammenarbeit mit den Firmen Liebherr Machines Bulle SA und Oberland Mangold GmbH, Garmisch Partenkirchen, erarbeitete die PSI-Gruppe ein fahrzeugtaugliches System, das bei Dieselfahrzeugen den Ausstoss von Stickoxiden reduziert. Die erste Testapparatur auf dem PSI-Dieselprüfstand ermöglichte die Wahl und Dimensionierung des Katalysators sowie die Ermittlung der Eigenschaften des Systems im dynamischen Fahrbetrieb. Daraus wurden gemeinsam mit der ETH Zürich Steuerung und Regelung der Reduktionsmitteldosierung entwickelt. Das auf diese Weise optimierte System baut nun die Firma Liebherr Machines Bulle SA für einen grösseren Motor. Mit diesem werden dann nach ausgiebigen Tests Langzeiterfahrungen in einem realen Fahrzeug, einem Mobilkran, gesammelt. Mangold GmbH hat den ersten Prototypen des Katalysators an Liebherr Machines Bulle SA geliefert, wo auch die anderen Komponenten für den Aufbau des grossen Prüfstands bereitstehen. Dieselmotorprüfstand bei der Firma Liebherr Machines Bulle SA.

93 82 PSI-JAHRESBERICHT 2001 VERWERTUNG VON WISSEN Schallerzeugende Flammen An dieser Anlage können die Fachleute des PSI mit der Lasermessmethode LIF neue Erkenntnisse gewinnen. Die Bedeutung der Elektrizitätserzeugung mit Gasturbinen wächst ständig. Deren Wirkungsgrad ist von 38% bis zu Werten von nahezu 60% verbessert worden. Bei diesen neuen Spitzenanlagen tauchte aber ein Problem auf: die Gasturbinenbrenner produzieren einen aussergewöhnlich starken Lärm. Das ist nicht nur für die Umgebung störend, sondern belastet die Anlagen mechanisch. Deshalb können diese Gasturbinen nicht bei voller Leistung betrieben werden und haben eventuell auch eine kürzere Lebensdauer als angenommen. Kommerziell ist es also von grossem Interesse, diese Lärmerzeugung zu verstehen. Die Fachleute des PSI sind aber auch wissenschaftlich daran interessiert, dieses Problem zu studieren. Mit ihren Lasermessmethoden können sie nämlich das Geschehen in Flammen störungsfrei messen. Sie untersuchten damit den Einfluss der inhomogenen Verbrennung und Vormischung auf die Entstehung von akustischen Schwingungen in Gasturbinen. Dazu benutzten sie einen industriellen Teststand, wo sie Messungen mit einem einzelnen kommerziellen Brenner und bei Atmosphärendruck durchführten. Im realen Betrieb enthalten diese Gasturbine 10 bis 20 Brenner, und der Druck beträgt 15 bar. Trotzdem lassen die Ergebnisse der PSI-Gruppe Schlüsse für den realen Betrieb zu, denn sie geben Auskunft über die Ursache des Lärms. Der Schall wird nämlich durch die Flamme selber erzeugt. Dies ist eine neue Erkenntnis, dank der die Industrie Massnahmen ins Auge fassen kann, welche den Lärm der Flammen verhindern oder wenigsten reduzieren.

94 VERWERTUNG VON WISSEN PSI-JAHRESBERICHT Strahlenüberwachung im Dienst der Schweiz Als wissenschaftliches Fachzentrum stellt das PSI sein Wissen und seine Erfahrungen im Umgang mit radioaktiver Strahlung in den Dienst der Schweiz. Das Strahlenschutzteam des PSI übernimmt Aufgaben für Bundesstellen wie die Nationale Alarmzentrale (NAZ), das Bundesamt für Polizei, das Zollamt, die Kantonspolizei oder auch für Private (Grafik). Einerseits sind es Aufträge von externen Kunden wie z.b. die Kontrolle der radioaktiven Verunreinigung von ankommenden leeren Transportfahrzeugen an der Schweizergrenze. Anderseits leistet das PSI Beiträge als unabhängige Fachstelle durch Expertisen und Piketteinsätze, wenn unklare Situationen mit radioaktiver Strahlung auftreten. Das PSI gewährleistet diese Einsätze bei Alarmierung durch die NAZ auch ausserhalb der normalen Arbeitszeit. Das Team des PSI-Stahlenschutz-Pikett wurde z.b. relativ häufig aufgeboten, um im Flughafen Zürich-Kloten defekte oder unbekannte radioaktive Verpackungen zu kontrollieren. Wenn nötig nehmen die PSI-Fachleute das radioaktive Material mit und entsorgen es. Andernfalls geben sie es nach Kontrolle zum Weitertransport frei. Sie überprüfen auch, ob Menschen radioaktiver Strahlung ausgesetzt waren und wie gross die Dosis allenfalls war. Seit September 2001 ist ein neues Pikett-Fahrzeug des PSI und der NAZ im Einsatz (Bild oben). Die Messgeräte und das Material finanzierte das PSI, das Fahrzeug bezahlte die NAZ. Das neue Pikett-Fahrzeug des PSI und der NAZ verfügt über Geräte zur Messung aller Strahlenarten sowie über Material für das Einsammeln von Proben, für die Absperrung sowie für den Personenschutz. Auch Mobiltelefon und Notebook mit Modem gehören natürlich zur Ausrüstung. Anzahl Einsätze Pikett-Einsätze Andere Einsätze Total Anzahl der externen Einsätze des PSI-Strahlenschutzteams. Klar zeigt sich die Zunahme bei der Öffnung des Ostblocks, und in noch weit stärkerem Mass der Anstieg der PSI-Einsätze wegen der Kontrolle von Fahrzeugen für Transporte von radioaktivem Material.

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96 PSI-JAHRESBERICHT zahlen PSI in Zahlen Organigramm Komitees und Kommissionen

97 86 PSI-JAHRESBERICHT 2001 PSI IN ZAHLEN PSI in Zahlen Für Forschung, für Entwicklung, Bau und Betrieb der Forschungsanlagen und der übrigen Infrastruktur sowie für Dienstleistungen hat das PSI im Berichtsjahr 261,6 Mio. Franken aufgewendet. Der Bund hat dazu einen Finanzierungsbeitrag von 228,3 Mio. Franken geleistet, rund 1Mio Franken weniger als im Jahr Die Drittmittel stammten auch im Jahr 2001 zu 60 Prozent aus der Privatwirtschaft und zu einem Viertel von Forschungsförderungs-Programmen des Bundes (Schweizerischer Nationalfonds, Bundesamt für Energie). Etwa 10 Prozent der Drittmittel stehen mit EU-Programmen in Verbindung. Über 65 Mio. Franken der PSI-Gesamtmittel wurden im Jahr 2001 für Investitionen eingesetzt, ein grosser Teil davon für die Fertigstellung der SLS. Die Personalkosten des PSI machten auch 2001 rund 55 Prozent des Gesamtaufwandes aus. Fast 70 Prozent der Gesamtaufwendungen kamen im Jahr 2001 der Benutzerlabor-Funktion des PSI zugute. Die hohen Anforderungen für die vorwie- gend externe Benutzerschaft, führen zu einer starken Einschränkung der PSI-eigenen Forschung. Besonders betroffen davon sind Forschungsthemen, die nur beschränkt mit der Benutzerlabor-Funktion des PSI zu tun haben. Die externen Benutzerinnen und Benutzer unserer Forschungseinrichtungen können aber nur optimal betreut und unterstützt werden, wenn die PSI-eigene Forschung an den Anlagen genügend kompetent und attraktiv geführt werden kann. Gesamthaft waren Ende 2001 am PSI knapp 1200 Personen beschäftigt. Dazu kommen über 110 Doktorierende, welche beim PSI angestellt sind, und 75 Lehrlinge, die am PSI eine Berufsausbildung erhalten. Weit mehr als 100 zusätzliche Doktorandinnen und Doktoranden sind am PSI an Forschungsprojekten beteiligt, haben aber ein Anstellungsverhältnis an einer Universität oder an einer der beiden ETHs. Sie profitieren auch von den vom PSI bereitgestellten Forschungseinrichtungen. Mittelverpflichtungen 2001, inkl. Drittmittel Zusammensetzung PSI-Personal Allgemeine Energieforschung, 17% Biowissenschaften, 14% Ingenieur-Wissenschaft, 8% FH, HTL, 11% Nukleare Energieforschung, 20% SLS, 18% Naturwissenschaft, Medizin, Pharma, 35% Teilchenund Astrophysik, 10% Festkörperforschung und Materialwissenschaften, 21% Verwaltungspersonal, 3% Technisches Personal, 43% Die Verteilung der Gesamtmittel auf die Aufgabenschwerpunkte (Produktegruppen) des PSI. Die Forschungseinrichtungen insbesondere Beschleunigeranlagen und SINQ sind den einzelnen Schwerpunkten zugeteilt; die SLS ist separat ausgewiesen und hat im Jahre Prozent der Gesamtmittel des PSI beansprucht. Die Zusammensetzung des Personals zeigt deutlich, dass das PSI eine Benutzerlabor-Funktion wahrnimmt: Die grossen Anlagen und die komplexen instrumentellen Forschungseinrichtungen erfordern eine grosse Zahl an technischem Personal.

98 Organigramm Paul Scherrer Institut Grossprojekt Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) Wrulich A. F. Dr. System Wrulich A. F. Dr. i.p. Nutzung van der Veen J.F.Prof. Dr. Bau Janzi G. Forschungsbereich Teilchen und Materie (TEM) Eichler R. Prof. Dr. i.p. Teilchenphysik Gabathuler K. Dr. Astrophysik Zehnder A. Dr. Myonspin- Spektroskopie Herlach D. Dr. Mikro- und Nanotechnologie Gobrecht J. Dr. Radiochemie Gäggeler H. Prof. Dr. Ionenstrahlphysik Suter M. Prof. Dr. Forschungskommission Ott H.R. Prof. Dr. Forschungsbereich Biowissenschaften (BIO) Winkler F. Prof. Dr. Strahlenmedizin Protonentherapie Goitein G. Tumortherapie- Evaluation Blattmann H. Dr. Zentrum für radiopharmazeutische Wissenschaft Schubiger P. A. Prof. Dr. Institut für Med. Radiobiologie (IMR) Jiricny J. Prof. Dr. Strukturbiologie Winkler F. Prof. Dr. i.p. Forschungsbereich Festkörperforschung mit Neutronen (FUN) Fischer W. Dr. Festkörpertheorie Morf R.H. Dr. Neutronenstreuung Furrer A. Prof. Dr. Tieftemperaturanlagen van den Brandt B. Dr. DIREKTION Direktor Eberle M.K. Prof. Dr. Stv. Direktor Eichler R. Prof. Dr. Stabschef Jermann M. Projektleiter SLS Bereichsleiter Forschungsbereich Nukleare Energie und Sicherheit (NES) Kröger W. Prof. Dr. Reaktorphysik und Systemverhalten Chawla R. Prof. Dr. Thermohydraulik Dreier J. Dr. Werkstoffverhalten Bart G. Dr. Endlagersicherheit Hadermann J. Dr. Forschungsbereich Allgemeine Energie (ENE) Wokaun A. Prof. Dr. Energie und Stoffkreisläufe Stucki S. Dr. Solartechnik Palumbo R. Prof. Dr. Verbrennungsforschung Boulouchos K. Prof. Dr. Elektrochemie Scherer G. Dr. Atmosphärenchemie Baltensperger U., PD Dr. Bereich STAB Dietrich Ph. Dr. Loepfe E. Dr. Salzmann M. Dr. Personal Kenel S. Grossforschungsanlagen (GFA) Steiner E. Dr. Beschleunigerphysik und -technik Schmelzbach P.-A. Dr. Experimentelle Anlagen Steiner E. Dr. i.p. Spallations- Neutronenquelle Wagner W. Dr. Technik und Koordination Duppich J. Bereich Logistik und Marketing (LOG) Pritzker A. Dr. Administration und Betriebsdienste Pritzker A. Dr. i.p. Infrastruktur-Systeme Boksberger H.-U. Maschinen- Ingenieurwesen Ulrich J. Informations- Technologie Egli St. Dr. Strahlenschutz, Sicherheit und Entsorgung Andres R. Dr. ORGANIGRAMM PSI-JAHRESBERICHT

99 88 PSI-JAHRESBERICHT 2001 KOMITEES Forschungskomitees Teilchen und Materie (TEM) Experimente am Ringzyklotron Prof. Dr. P. Truöl, Präsident Prof. Dr. A. Blondel Dr. D. Bryman Prof. Dr. C. Hoffman Prof. Dr. M. Pendlebury Prof. Dr. L. Tauscher Prof. Dr. G.J. Wagner Prof. Dr. D. Wyler Experimente am Philips Zyklotron (Injektor I) Prof. Dr. J.V. Kratz, Präsident Prof. Dr. J. Deutsch Prof. Dr. J. C. Dousse Prof. Dr. A. Fässler Prof. Dr. G. Kraft Prof. Dr. P. U. Sauer Prof. Dr. I. Sick Myonspin-Spektroskopie Prof. Dr. H. Keller, Präsident Prof. Dr. A. Baldereschi Dr. M. Fähnle Dr. P. Fischer Prof. Dr. E. M. Forgan Prof. Dr. J. J. M. Franse Prof. Dr. F. J. Litterst Prof. Dr. P.W. Percival Dr. F. Pratt Universität Zürich, CH Universität Genf, CH TRIUMF, Vancouver, CDN LAMPF, Los Alamos, USA University of Sussex, UK Universität Basel, CH Universität Tübingen, DE Universität Zürich, CH Universität Mainz, DE Univ. Cath. de Louvain-la-Neuve, BE Universität Fribourg, CH Universität Tübingen, DE Gesellschaft für Schwerionenforschung, Darmstadt, DE Universität Hannover, DE Universität Basel, CH Universität Zürich, CH ETH, Lausanne, CH MPI, Stuttgart, DE ETH, Zürich, CH University of Birmingham, UK Van der Waals-Zeeman Lab., Amsterdam, NL IMNF, TU Braunschweig, DE Simon Fraser University, Burnaby, CDN RIKEN-RAL / Oxford University, UK Biowissenschaften (BIO) Prof. Dr. B. Hirt, Präsident Prof. Dr. H. H. Coenen Prof. Dr. U. Haberkorn Prof. Dr. J. A. Hubbell Prof. Dr. D. Moras Prof. Dr. H. Möhler ISREC, Epalinges, CH Forschungszentrum Jülich, DE Universitätsklinikum Heidelberg, DE ETH Zürich und Universität Zürich, CH UPR de Biologie Structurale IGBMC, Illkirch-Strasbourg, FR ETH, Zürich und Universität Zürich, CH

100 KOMITEES PSI-JAHRESBERICHT Festkörperforschung mit Neutronen (FUN) Wissenschaftlicher Ausschuss SINQ Prof. Dr. P. Schurtenberger, Präsident Prof. Dr. P. Böni Prof. Dr. B. Dorner Prof. Dr. P. Fratzl Prof. Dr. H. Güdel Prof. Dr. R. Hempelmann Prof. Dr. G. Kostorz Prof. Dr. J.S. Pedersen Prof. Dr. W. Steurer Dr. C. Wilson Universität Fribourg, CH Technische Universität München, DE Institut Laue Langevin, Grenoble, FR Erich-Schmid-Institut, Leoben, AT Universität Bern, CH Universität des Saarlandes, Saarbrücken, DE ETH, Zürich, CH Universität Aarhus, DK ETH Zürich und Universität Zürich, CH ISIS Facility, RAL, Rutherford, GB Nukleare Energie und Sicherheit (NES) Dipl.-Ing. P.U. Fischer, Präsident Egg, CH L. de Faveri BBW, Bern, CH Dr. H. Fuchs Aare-Tessin AG, Olten, CH Prof. Dr. M. Giot Université Catholique de Louvain/SCK-CEN, BE W. Jeschki HSK, Würenlingen, CH Dr. Ch. McCombie Gipf-Oberfrick, CH Dr. M. Salvatores Dept. of Reactor Studies, CEA, FR Prof. Dr. E. Tenckhoff Siemens KWU Erlangen, DE Allgemeine Energie (ENE) Prof. Dr. A. Zehnder, Präsident Dr. P. Jansohn Prof. T. Peter Prof. Dr. A. Reller Dr. M. Schaub H.U. Schärer Prof. Dr. L. Schlapbach Prof. Dr. A. Voss EAWAG, Dübendorf, CH Alstom Power, Dättwil, CH ETH Zürich, CH Universität Augsburg, DE CT Umwelttechnik AG, Winterthur, CH BFE, Bern, CH Universität Fribourg, CH Universität Stuttgart, DE

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