Institut für angewandte Photonik
Das Institut für angewandte Photonik wurde als außeruniversitäre Industrieforschungseinrichtung am 16. März 1999 gegründet. Es ist als gemeinnützig von den Finanzbehörden anerkannt. Die Gründungsmitglieder waren Vladimir Arkadiev, Reinhard Arnhold, Aniouar Bjeoumikhov, Klaus Däumichen, Renate Gnepper, Hans-Eberhard Gorny, Rudolf Herrmann, Norbert Langhoff, Helmut Schlawatzky, Horst Schmidt, Matthias Scholz, Thomas Schülein, Reiner Wedell und Helmut Wolff, sowie die Firmen IfG Institut für Gerätebau und die RÖNTEC GmbH.
In den ersten Vorstand wurden die folgenden IAP-Mitglieder gewählt: Prof. Dr. Norbert Langhoff als Vorstandsvorsitzender, Dipl.-Ing. Thomas Schülein als stellvertretender Vorsitzender, Frau Renate Gnepper als Schatzmeisterin sowie Dr. Reiner Wedell als Geschäftsführer und Dipl.-Phys. Reinhard Arnhold als weiteres Vorstandsmitglied.
Bis zum 31.12.2021 wurden 28 FuE-Einzelprojekte und 20 FuE-Verbundprojekte erfolgreich abgeschlossen, die aus öffentlichen Mitteln anteilsfinanziert worden waren. Durch die Mitarbeit im Verbundprojekt „Entwicklung von Röntgengeräten der Prozessanalytik“ im Zeitraum 01. 09. 2000 – 30. 09. 2003 wurde das wichtige Geschäftsfeld prozessnahe Röntgenanalytik im IAP etabliert. Auf dieser Grundlage wurde in 2001 die Tagungsreihe „Prozessnahe Röntgenanalytik PRORA“ begonnen, die seit dieser Zeit alle zwei Jahre mit mehr als 100 Teilnehmern erfolgreich durchgeführt wurde. Seit der zweiten Fachtagung PRORA in 2003 fand regelmäßig eine begleitende Industrieausstellung statt.
Einen wichtigen Beitrag zur Etablierung der Herstellungstechnologie von Röntgen-Glaskapillaroptiken in Deutschland leistete u. a. das IAP – Teilvorhaben: „Photonische Kristallfaserpräparation aus Weichgläsern für Laseranwendungen“ im Rahmen des umfangreichen Verbundprojekts „Photonische Kristallfasern für neuartige Lichtquellen mit steuerbarer Funktionalität“ im Zeitraum 01. 06. 2002 – 31. 05. 2005. Die Finanzierung erfolgte durch das BMBF und die Projektkoordination hatte das IPHT e. V. Jena übernommen.
Die Ziehanlagen wurden bis zum Verkauf der IfG Institute for Scientific Instruments GmbH (Nachfolgefirma der IfG Institut für Gerätebau GmbH) an die Helmut-Fischer GmbH Institut für Elektronik und Messtechnik in 2014 gemeinsam von IfG und IAP genutzt. Im Rahmen des Einzelprojekts „RFA-Zusatz für Rasterelektronenmikroskope“ mit einer Förderung durch das BMWi wurde ein spezielles Modul entwickelt, das neben der Elektronenstrahlanregung auch Röntgenphotonenanregung über eine Polykapillaroptik realisiert. Dadurch können schwerere Elemente mit deutlich besseren Nachweisgrenzen quantitativ gemessen werden, da unter diesen Bedingungen der Bremsstrahlungsuntergrund nicht auftritt.
Preformen für Glaskapillaroptiken
Aus den Ergebnissen dieses FuE-Projekts, das vom 01.01. 2002 bis 31.09. 2003 bearbeitet wurde, entstand das IfG-Produkt iMOXS und später das Produkt XTrace bei der Bruker Nano GmbH.
Bild 1: RFA – Zusatzmodul iMOXS Produkt der IfG Instutute for Scientific Instruments GmbH
Bild 2: XTrace Produkt der Bruker Nano GmbH
Auf Initiative von Prof. Dr. Norbert Langhoff wurde am 11. Dezember 2003 der VDI -Fachausschuss „Röntgenoptische Systeme“ in Berlin gegründet. An dieser Gründung war das Institut für angewandte Photonik e. V. maßgeblich beteiligt. Weitere Gründungsmitglieder waren die IfG GmbH, die BESSY GmbH, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt, die Fraunhofer Institute für angewandte Optik und Feinmechanik und für Lasertechnik ILT, die AXO DRESDEN GmbH und die Crystal GmbH. Dieser Fachausschuss tagte danach regelmäßig mindestens einmal jährlich und erarbeitete Richtlinien für Röntgenoptische Systeme, die dann unter der Bezeichnung VDI/VDE 5575 veröffentlicht wurden. Die Mitarbeit im Fachausschuss war ehrenamtlich und die Tagungen fanden an verschiedenen Orten statt. Die Teilnehmer kamen aus verschiedenen Unternehmen und Forschungseinrichtungen.
(l.o. – r.u.)A. Last, St. Braun, M. Krumrey, B. Müller, M. Scholl, K. Bergmann, G. Schneider, N. Langhoff, M. Störmer, A. Seifert, H. Wolff, A. Erko
Prof. Langhoff hatte bis Mitte 2007 den Vorsitz des Richtlinienausschusses inne, danach übernahm Dr. Michael Krumrey (PTB) diese Funktion. Er stellte dann auch die Arbeit an den VDI/VDE Richtlinien auch bei der 4. Fachtagung PRORA am 15. November 2007 vor. Bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind die folgenden VDI/VDE Richtlinien 5575 Röntgenoptische Systeme erschienen: Blatt 1: Begriffe; Blatt 2: Messverfahren, Messaufbau und Methoden zur Bewertung röntgenoptischer Systeme; Blatt 3: Röntgenkapillaren; Blatt 4: Röntgenspiegel und Röntgenspiegelsysteme, Totalreflexions- und Mehrschichtspiegel; Blatt 5: Transmissionszonenplatten; Blatt 6: Reflexionszonenplatten; Blatt 7: Refraktive Röntgenlinsen; Blatt 8: Monochromatorkristalle; Blatt 9: Röntgenfilter; Blatt 10: Beugungsgitter.
Weiterhin war das IAP auf dem Gebiet der Analytik für den Gewinn von Wertstoffen durch bessere Erschließung von Lagerstätten und Recyclingprozesse aktiv. Im Rahmen eines Verbundprojekts „Methodische und gerätetechnische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für die schnelle Vorort-Analyse von Hochtechnologiemetallen insbesondere deren feinkörnige und inhomogene Verteilung in Lagerstätten (MEGA)“, das durch das BMBF im Rahmen der Fördermaßnahme „KMU-Innovationsoffensive „Ressourcen- und Energieffizienz“ anteilig finanziert wurde, wurde ein XRF-Mine-Spektrometer zur Ultrafast- und Vor-Ort-Analyse mittels XRF-Spektroskopie entwickelt. Ein wichtiger Bestandteil dieses Gerätes war eine Röntgenfarbkamera SLCam zur zu einer orts-, zeit- und spektralaufgelösten Abbildung von unterschiedlichen flächenhaften Proben, die ebenfalls in einem früheren Verbundprojekt entwickelt worden war. Dieses Projekt wurde anteilig durch die Investitionsbank Berlin im Rahmen des Förderprogramms ProFIT finanziert und im Zeitraum 01. 06. 2013 – 31. 05. 2015 bearbeitet.
An diesem Projekt waren als Projektkoordinator die IfG Institute for Scientific Instruments GmbH, und als weitere Partner die UVR – FIA GmbH Freiberg und das neu gegründete Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie beteiligt. Zu dieser Problematik hatte das IAP bereits vorher ein ZIM-Verbundprojekt zum Thema „Modulares Messgerätesystem unter Verwendung röntgenanalytischer Methoden für die Vor-Ort-Analyse im Bergbau, in der Umwelt und im Recycling (GEO-MESS)“ mit der Firma GEOMONTAN GmbH Großschirma und der IfG GmbH als Koordinator begonnen und vom 15.07.2012 bis 30.06.2014 bearbeitet.
Bild 1: Aufbau des MEGA-XRF-Mine-Spektrometers
Bild 2: Aufnahme eines Lichtbilds (außen) und eines Röntgenfarbbild (innen) von einer geologischen Probe – Überlagerung des Röntgenfarbbilds mit verschiedenen Elementen (blau: Zn, gelb: Ca) und dem Lichtbild
Auf dem Gebiet des Recyclings wurde unter der Koordination des Instituts für angewandte Photonik das Verbundprojekt: „Online-Prozessanalytik für die Regelung eines Verfahrens zur Rückgewinnung von Wertstoffen aus Klärschlammaschen“ im Zeitraum vom 01.06.2012 bis 28.02.2015 durchgeführt. Projektpartner waren die Bundesanstalt für Materialforschung und die LTB Lasertechnik Berlin GmbH. Die Fördermittel wurden von der Investitionsbank Berlin im Rahmen des Programm ProFIT bereitgestellt. In diesem Projekt wurde eine Kombination eines RFA-Messkopfes (IAP) und eines LIBS – Messkopfes (LTB) für die Online-Untersuchung der aus einem Drehorohrofen (BAM) austretenden Klärschlammasche auf einem Drehteller eingesetzt. Die nebenstehenden Abbildungen zeigen die Gesamtanlage und den RFA-Messkopf. Damit der Nachweis von leichteren Elementen, wie z. B. Phosphor noch an Luft auch mit Hilfe der RFA möglich war, wurde eine Heliumspülung vorgesehen. Die Auswertung der Spektren erfolgte mit Hilfe der Fundamentalparametermethode.
Bild 2: Schnittzeichnung des RFA-Messkopfes
Auf dem Gebiet der Wiedergewinnung von Wertstoffen durch Recycling wurde im IAP auch das Einzelprojekt „Prozessanalytik für Recycling + Rohstoff-aufbereitung ProRec“ im Zeitraum 01. 09. 2014 – 31. 12. 2016 bearbeitet.
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung innovativer Analytiksysteme auf Röntgenbasis (XRF) zur flexiblen Stofferkennung in Sortierprozessen bei Recycling und Rohstoffaufbereitung. Damit sollte ein neuer technologischer Standard der Sortierverfahren erreicht und ein Beitrag zum ressourcenschonenden Wirtschaften ermöglicht werden. Die Arbeiten richteten sich sowohl auf Innovation und Optimierung einzelner röntgenanalytischer Verfahren, die in Sortieranlagen zum Einsatz kommen, als auch auf die Entwicklung von Konzepten zur Kopplung unterschiedlicher Analysemethoden.
Im Projekt wurde ein kompaktes RFA – Analysemodul entwickelt, bestehend aus Kollimator, Detektorzeile und einer vollständigen Signalverarbeitungselektronik zur synchronen Abtastung aller Kanäle mit einer Messzeit von 10 ms. Durch Aneinanderreihung der Module erfolgt die Anpassung an die Breite des Förderbands im 160 mm-Raster. Der gesamte experimentelle Aufbau zum Test der Funktion des RFA-Analysemoduls mit einer leistungsstarken Röntgenquelle und einem entsprechenden Förderband ist in der folgenden Fotografie gezeigt.
Bild 1: Die folgende Abbildung zeigt die Anordnung des Analysemoduls zur Röntgenquelle und zum Förderband, auf dem das Recyclinggut transportiert wird.
Bild 2: Schematische Darstellung der Anordnung des RFA-Analysemodul zur Röntgenquelle (oben) und zum Förderband (unten)
Bild 3: Experimentelle Testanlage für das RFA-Analysemodul mit Streifendetektoren und einer leistungsstarken Röntgenröhre sowie einem Förderband.
Zum 01. Januar 2017 übernahm Frau Dr. Kathrin Schickhoff die Geschäftsführung des Instituts für angewandte Photonik e. V. und übte diese Funktion bis zum 31. Mai 2018 aus. Ab dem 01. Juni 2018 wurde Dr. Christian Seifert als Geschäftsführer des IAP e. V. eingesetzt. Weiterhin war schon länger geplant, dass Professor Dr. Alexei Erko nach seinem Ausscheiden aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie aufgrund seiner Berentung im IAP die Funktion des wissenschaftlichen Direktors übernimmt. Dies erfolgte zum 01. März 2018. Aufgrund seiner Expertise wurden bereits im Vorfeld im IAP Themen des Einsatzes weicher Röntgenstrahlung und zeitaufgelöster Verfahren sowie der dazu erforderlichen speziellen Fresneloptiken verstärkt bearbeitet. Derartige Spezialoptiken – sogenannte Reflexionszonenplatten – werden inzwischen bei der NOB Nano Optics Berlin GmbH hergestellt und erlauben die Detektion von sehr leichten Elementen wie z. B. Lithium und seine Verbindungen mit hoher Energieauflösung in einem wellenlängendispersiven Röntgenspektrometer im Vakuum. Die Anregung erfolgt dabei mit Elektronenstrahlen. Aufgrund der hohen Energieauflösung können auch chemische Verschiebungen der Fluoreszenzlinien in Verbindungen nachgewiesen werden. Die folgende Abbildung zeigt Reflexionszonenplatten auf einem sphärischen Substrat.
Aufgrund dieser im IAP entwickelten Expertise konnten Forschungs- und Entwicklungsaufträge für zeitaufgelöste Röntgenspektrometer im weichen Spektralbereich der folgenden Einrichtungen erfolgreich erfüllt werden:
- Universität-Duisburg Essen
- IOM Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e. V. Leipzig
- ICFO Institute of Photonic Sciences Barcelona Spanien
Drei Reflexionszonenplatten auf einem sphärischen Substrat