Kompakter, totzeitfreier, Streufeld-NMR-Sensor

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Anders; Dr. Jürgen Frick
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450272390

Die Streufeld-NMR ist eine Technik für die zerstörungsfreie Materialprüfung im Labor. Sie ist sowohl in der wissenschaftlichen Welt als auch in der Industrie gut etabliert. Hauptanwendungen finden sich in der Qualitätskontrolle und Alterung von Polymeren und verwandten Materialien, einschließlich PE-Rohren, PVC-Bodenbelägen, Autoreifen, Asphaltbelägen, menschlicher Haut und Lebensmitteln. Diese Materialien können in vielen Fällen mit kommerzieller Labortechnologie von Anbietern wie Magritek und Bruker untersucht werden. Die Totzeit der aktuell verfügbaren Sensoren ist jedoch zu lang für eine sinnvolle Materialanalyse vieler weiterer Materialien wie z. B. glas- und kohlefaserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe in Windmühlenflügeln, Lacken auf Gemälden und Musikinstrumenten und Baumaterialien, die auf gebundenem Wasser basieren, wie z. B. Zement. Darüber hinaus würden derzeit neu entstehende Anwendungen wie die Analyse von Kulturgütern und Messungen im Freien von Verbesserungen hinsichtlich der NMR-Geräte für den Einsatz an abgelegenen Orten und unter ungünstigen Umweltbedingungen und der Identifizierung relevanter Korrelationen zwischen NMR-Relaxation/Diffusion und Anwendungsparametern stark profitieren. Das wissenschaftliche Hauptziel dieses Projekts ist eine signifikante Reduzierung der Totzeit von Streufeld-NMR-Sensoren von derzeit 70 µs auf weniger als 20 µs bei 10 mm Messtiefe. Darüber hinaus werden wir Strategien zur Miniaturisierung des Spektrometers, des Sensors und der mechanischen Verfahreinheit („translation stage“) für die Tiefenprofilierung untersuchen. Hierfür werden wir jede einzelne Sensorkomponente miniaturisieren und diese in ein einziges Gerät integrieren. Zusammen mit zusätzlichen Untersuchungen zur Reduzierung des Stromverbrauchs, um den Betrieb mit einer Autobatterie zu ermöglichen, zur Einbeziehung eines Sensors für die präzise parallele Ausrichtung des NMR-Geräts zum Objekt und zur deutlichen Verbesserung der Robustheit des Aufbaus, z. B. durch Erhöhung der Toleranz gegenüber elektromagnetischen Störungen, werden wir ein Forschungsinstrument erforschen und prototypisch herstellen, das völlig neue Anwendungen der Streufeld-NMR im Feld ermöglichen wird. Dazu gehören die zerstörungsfreie Materialprüfung an Produktionslinien online sowie Anwendungen in Museen, Kulturstätten und Ausgrabungsstätten im Freien. Ein interdisziplinäres Team von drei Forschern wird die Kompatibilität des geplanten Prototyps mit den Anforderungen in situ und im Feld sicherstellen und ihn in Labortests und Pilotstudien validieren.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung