ODIN bereit für Neutronen

Als eines der ersten wissenschaftlichen Instrumente ist das Imaging-Instrument ODIN („Optical and Diffraction Imaging with Neutrons“) an der European Spallation Source (ESS) in Lund, Schweden, fertiggestellt und bereit für die Inbetriebnahme mit Neutronenstrahlung. Das Instrument entstand in enger Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität München (TUM) und dem Paul-Scherrer-Institut (PSI).

Experimentierhalle_ODIN_Front Experimentierbereich des Bildgebungsinstruments ODIN, der für Proben aus verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen angepasst werden kann.

Experimentierbereich des Bildgebungsinstruments ODIN, der für Proben aus verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen angepasst werden kann.

Viele wissenschaftliche Fragestellungen erfordern einen Blick ins Innere von Materialien und Bauteilen. Mit Neutronen lassen sich dabei Strukturen und Materialeigenschaften zerstörungsfrei untersuchen, die mit anderen Bildgebungsverfahren nur schwer oder gar nicht zugänglich sind. Die Anwendungen reichen von Batterien und Energietechnologien über technische Werkstoffe und Geomaterialien bis hin zu biologischen, archäologischen und paläontologischen Proben. ODIN ist das einzige Neutronenbildgebungsinstrument unter den zunächst 15 wissenschaftlichen Instrumenten der ESS.

50 Meter langer Neutronenleiter

ODIN ist ein hochkomplexes Instrument, das darauf ausgelegt ist, die zeitliche Struktur des gepulsten Neutronenstrahls der ESS möglichst flexibel an die jeweilige Messaufgabe anzupassen. Dafür erstreckt sich das Instrument über eine Länge von rund 50 Metern von der Neutronenquelle bis zum Ende des Neutronenleiters. Eine zentrale Komponente ist das Chopper-System mit neun rotierenden Scheiben. Es strukturiert den Neutronenstrahl zeitlich und ermöglicht es, gezielt unterschiedliche Wellenlängenbereiche für die Messung zu nutzen. Am Ende der Strahlführung befindet sich der Experimentierbereich, in dem unterschiedliche Detektorsysteme und Probenumgebungen eingesetzt werden können. Es befindet sich in einer strahlungsgeschützten Höhle, die etwa 20 Meter lang, 7 Meter breit und fast 5 Meter hoch ist. Die Grundfläche der Höhle beträgt rund 140 m² und ist damit vergleichbar mit der Wohnfläche einer großen Fünf-Zimmer-Wohnung.

Teamfoto ODIN Teambild von Aureliano Tartaglione, Elbio Calzada, Manuel Morgano und Virginia Martinez Monge (von links nach rechts), die maßgeblich am Aufbau von ODIN beteiligt waren. © TUM

Teambild von Aureliano Tartaglione, Elbio Calzada, Manuel Morgano und Virginia Martinez Monge (von links nach rechts), die maßgeblich am Aufbau von ODIN beteiligt waren. © TUM

Der FRM II war von Beginn an maßgeblich an der Entwicklung von ODIN beteiligt. So war die Auslegung des Chopper-Systems unter anderem Teil der Dissertation von Dr. Philipp Schmakat (TUM) und entstand in enger Zusammenarbeit mit Dr. Michael Schulz, inzwischen stellvertretender wissenschaftlicher Direktor des FRM II, und Dr. Marc Seifert. Dr. Michael Lerche (TUM) arbeitete als Instrumentwissenschaftler und Projektleiter daran, die wissenschaftlichen Konzepte in die ingenieurtechnische Praxis umzusetzen – zu einer Zeit, als sich auch die ESS als neue Forschungsinfrastruktur selbst noch im Aufbau befand.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit

Nach Michael Lerche übernahm Dr. Aureliano Tartaglione (TUM) die Projektleitung am FRM II. Gemeinsam mit Dr. Manuel Morgano (seinem Pendant zunächst am PSI und später an der ESS), sowie dem leitenden Ingenieur Elbio Calzada vom FRM II begleitete er den Aufbau des Instruments durch die entscheidenden Projektphasen – von den finalen Designentscheidungen über die Beschaffung und Fertigung der Komponenten bis hin zu deren Installation und der abschließenden Übergabe an die ESS. An der Installation vor Ort in Schweden war unter anderem die Ingenieurin Virginia Martinez Monge (TUM) maßgeblich beteiligt. Sie koordinierte Abläufe und Schnittstellen zwischen den beteiligten Teams und begleitete die Umsetzung der umfangreichen Sicherheitsanforderungen. In der letzten Projektphase übernahm Dr. Robin Woracek (heute Leiter der Neutron-Imaging-Gruppe am FRM II) auf Seiten der ESS die wissenschaftliche Leitung von ODIN. Gemeinsam mit Dr. Aureliano Tartaglione begleitete er die finale Installation und Inbetriebnahmevorbereitung und führte die abschließenden Tests der Instrumentkomponenten durch.

Robin Woracek am ANTARES "Bei einem Metall können wir beispielsweise untersuchen, aus welchen kristallinen Phasen bzw. Kristallstrukturen es besteht", erklärt Robin Woracek, hier am bildgebenden Neutroneninstrument ANTARES des MLZ. © Christoph Leonhardt

"Bei einem Metall können wir beispielsweise untersuchen, aus welchen kristallinen Phasen bzw. Kristallstrukturen es besteht", erklärt Robin Woracek, hier am bildgebenden Neutroneninstrument ANTARES des MLZ. © Christoph Leonhardt

„Die Koordination vieler Personen mit unterschiedlichen Hintergründen und Fähigkeiten war herausfordernd. Gleichzeitig war es sehr positiv zu sehen, wie konstruktiv alle als Team an einem so großen Projekt gearbeitet haben. Dabei konnten wir alle viel voneinander lernen“, erklärt Dr. Aureliano Tartaglione. Diese enge Zusammenarbeit war die Grundlage für die technische Umsetzung des Instruments.

Bildgebung mit zusätzlicher Information

Wie bei einer Röntgenaufnahme durchdringen die Neutronen die Probe und erzeugen ein zweidimensionales Bild ihres Inneren. Wird die Probe gedreht und aus vielen Richtungen aufgenommen, lässt sich daraus eine dreidimensionale Tomographie rekonstruieren. Eine besondere Stärke von ODIN liegt in der gepulsten Neutronenquelle der ESS. Aus der Flugzeit der Neutronen lässt sich bestimmen, mit welcher Wellenlänge sie die Probe durchlaufen haben. ODIN liefert damit nicht nur räumliche Bilder, sondern gleichzeitig Informationen darüber, wie die Probe Neutronen unterschiedlicher Wellenlängen abschwächt. Dr. Robin Woracek erläutert: „Damit können wir nicht nur sehen, wo sich Strukturen innerhalb eines Objekts befinden, sondern auch zusätzliche Informationen über das Material selbst gewinnen. Bei einem Metall können wir beispielsweise untersuchen, aus welchen kristallinen Phasen beziehungsweise Kristallstrukturen es besteht – etwa ob Bereiche ferritisch oder austenitisch sind. Diese zusätzliche spektrale Information geht damit deutlich über eine klassische Radiographie oder Tomographie hinaus.“ Die Vielfalt spiegelt sich auch im Namen des Instruments wider: ODIN ist eine Anspielung auf den nordischen Göttervater Odin, der in der Mythologie für Wissen und Vielseitigkeit steht.

Erste Experimente für 2027 geplant

„ODIN ist das einzige Bildgebungsinstrument, das in der ersten Installationsrunde an der ESS realisiert wurde, und gilt als sogenanntes ‚Day-1´-Instrument“, erklärt der leitende Ingenieur Elbio Calzada. Nach einer abschließenden Präsentation im Dezember 2025, bei der sämtliche Instrumentkomponenten, deren Inbetriebnahme sowie die sicherheitsrelevanten Aspekte und Kriterien vorgestellt wurden, übergab die TUM das Instrument im Februar 2026 offiziell an die ESS. Im Oktober 2026 befasste sich nun auch das In-Kind Review Committee der ESS, in dem Vertreter der an der ESS beteiligten Länder zusammenkommen, mit dem formellen Abschluss des Projekts.

Für alle Beteiligten richtet sich der Blick damit auf die nächste Phase: die Inbetriebnahme von ODIN mit Neutronen. Auch hierbei wird sich die TUM voraussichtlich wissenschaftlich beteiligen – sowohl an der Inbetriebnahme als auch an den ersten wissenschaftlichen Experimenten, die für 2027 vorgesehen sind.