The goal of radiation therapy is to eradicate tumour cells while minimising radiation dose to healthy tissues. Ions including protons and carbon ions have gained increasing interest for cancer treatment. Advantages of ion beam therapy are conformal dose distribution, and for ions heavier than protons increased biological effectiveness in cell killing, compared to conventional radiation therapy using photons. Despite these advantages, fundamental problems in ion beam therapy include accuracy of dose determination at the cellular level, and characterisation of the radiation quality at the microscopic scale. Due to the high density of interactions along ion tracks, inhomogeneity of dose and track parameters at the cellular level is one of the major concerns for ion beam therapy. The aim of the thesis is to develop computational tools for dosimetry of ion tracks at the molecular level. Event-by-event Monte Carlo track structure (MCTS) simulations were developed for full-slowing-down tracks of protons and carbon ions in water representing cellular environment. In Paper I, the extension of the MCTS code KURBUC_proton was carried out to energies up to 300 MeV, covering the entire proton energy range used in radiation therapy. Physical properties and microdosimetry of proton tracks were investigated and benchmarked with the experimental data. Papers II-V describe the development of the MCTS code for full-slowing-down tracks of carbon ions. In Papers II-IV, the classical trajectory Monte Carlo (CTMC) model was developed for the calculation of interaction cross sections for low and intermediate energy carbon projectiles of all charge states (C0 to C6+) in water. In Paper V, the calculated cross sections were implemented in a new MCTS code KURBUC_carbon simulating carbon ions of energies 1-104 keV/u in water. This development allows the investigation of track parameters in the Bragg peak region of carbon ion beams. Publication of the thesis and the published papers make contribution to the physics of ion interactions in matter, and provide a new and complete database of electronic interaction cross sections for low and intermediate energy carbon projectiles of all charge states in water. The MCTS codes for protons and carbon ions provide new tools for biophysical study, including microdosimetry, of ion tracks at cellular and subcellular levels, in particular in the Bragg peak region of these ions. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 4: Submitted. Paper 5: Submitted.</p><p> </p>

Afin d'exploiter au mieux son parc nucléaire, la R&D d'EDF est en train de développer une nouvelle chaîne de calcul pour simuler le cœur des réacteurs nucléaires avec des outils à l'état de l'art. Ces calculs nécessitent une grande quantité de données physiques, en particulier les sections efficaces. Dans la simulation d'un cœur complet, le nombre de valeurs des sections efficaces est de l'ordre de plusieurs milliards. Ces sections efficaces peuvent être représentées comme des fonctions multivariées dépendant de plusieurs paramètres physiques. La détermination des sections efficaces étant un calcul complexe et long, nous pouvons donc les précalculer en certaines valeurs des paramètres (caluls hors ligne) puis les évaluer en tous points par une interpolation (calculs en ligne). Ce processus demande un modèle de reconstruction des sections efficaces entre les deux étapes. Pour réaliser une simulation plus fidèle du cœur dans la nouvelle chaîne d'EDF, les sections efficaces nécessitent d'être mieux représentées en prenant en compte de nouveaux paramètres. Par ailleurs, la nouvelle chaîne se doit d'être en mesure de calculer le réacteur dans des situations plus larges qu'actuellement. Le modèle d'interpolation multilinéaire pour reconstruire les sections efficaces est celui actuellement utilisé pour répondre à ces objectifs. Néanmoins, avec ce modèle, le nombre de points de discrétisation augmente exponentiellement en fonction du nombre de paramètres ou de manière considérable quand on ajoute des points sur un des axes. Par conséquence, le nombre et le temps des calculs hors ligne ainsi que la taille du stockage des données deviennent problématique. L'objectif de cette thèse est donc de trouver un nouveau modèle pour répondre aux demandes suivantes : (i)-(hors ligne) réduire le nombre de précalculs, (ii)-(hors ligne) réduire le stockage de données pour la reconstruction et (iii)-(en ligne) tout en conservant (ou améliorant) la précision obtenue par l'interpolation multilinéaire. D'un point de vue mathématique, ce problème consiste à approcher des fonctions multivariées à partir de leurs valeurs précalculées. Nous nous sommes basés sur le format de Tucker - une approximation de tenseurs de faible rang afin de proposer un nouveau modèle appelé la décomposition de Tucker . Avec ce modèle, une fonction multivariée est approchée par une combinaison linéaire de produits tensoriels de fonctions d'une variable. Ces fonctions d'une variable sont construites grâce à une technique dite de décomposition en valeurs singulières d'ordre supérieur (une « matricization » combinée à une extension de la décomposition de Karhunen-Loève). L'algorithme dit glouton est utilisé pour constituer les points liés à la résolution des coefficients dans la combinaison de la décomposition de Tucker. Les résultats obtenus montrent que notre modèle satisfait les critères exigés sur la réduction de données ainsi que sur la précision. Avec ce modèle, nous pouvons aussi éliminer a posteriori et à priori les coefficients dans la décomposition de Tucker. Cela nous permet de réduire encore le stockage de données dans les étapes hors ligne sans réduire significativement la précision. / In order to optimize the operation of its nuclear power plants, the EDF's R&D department iscurrently developing a new calculation chain to simulate the nuclear reactors core with state of the art tools. These calculations require a large amount of physical data, especially the cross-sections. In the full core simulation, the number of cross-section values is of the order of several billions. These cross-sections can be represented as multivariate functions depending on several physical parameters. The determination of cross-sections is a long and complex calculation, we can therefore pre-compute them in some values of parameters (online calculations), then evaluate them at all desired points by an interpolation (online calculations). This process requires a model of cross-section reconstruction between the two steps. In order to perform a more faithful core simulation in the new EDF's chain, the cross-sections need to be better represented by taking into account new parameters. Moreover, the new chain must be able to calculate the reactor in more extensive situations than the current one. The multilinear interpolation is currently used to reconstruct cross-sections and to meet these goals. However, with this model, the number of points in its discretization increases exponentially as a function of the number of parameters, or significantly when adding points to one of the axes. Consequently, the number and time of online calculations as well as the storage size for this data become problematic. The goal of this thesis is therefore to find a new model in order to respond to the following requirements: (i)-(online) reduce the number of pre-calculations, (ii)-(online) reduce stored data size for the reconstruction and (iii)-(online) maintain (or improve) the accuracy obtained by multilinear interpolation. From a mathematical point of view, this problem involves approaching multivariate functions from their pre-calculated values. We based our research on the Tucker format - a low-rank tensor approximation in order to propose a new model called the Tucker decomposition . With this model, a multivariate function is approximated by a linear combination of tensor products of one-variate functions. These one-variate functions are constructed by a technique called higher-order singular values decomposition (a « matricization » combined with an extension of the Karhunen-Loeve decomposition). The so-called greedy algorithm is used to constitute the points related to the resolution of the coefficients in the combination of the Tucker decomposition. The results obtained show that our model satisfies the criteria required for the reduction of the data as well as the accuracy. With this model, we can eliminate a posteriori and a priori the coefficients in the Tucker decomposition in order to further reduce the data storage in online steps but without reducing significantly the accuracy.

The subject of the master´s thesis is designing a bypass of the village Ochoz u Brna. The bypass will by designed in four variations which will be compared to each other by several criterias. Then one variation will be chosen and designed in detail. The goal of the master´s thesis is reduction of the traffic intensity of the current road II/373 in Ochoz u Brna by redirecting transit traffic outside the village. This will lead to an increase of safety in the village.

The doctoral thesis is focused on measurements of neutron cross-sections mainly cross-sections of (n,xn) threshold reactions. With the dawn of advanced nuclear systems such as fast reactors of GenIV, accelerator driven system or even fusion reactors, monitoring of fast neutron fields will gain on importance. The activation detectors are one of the viable options how to monitor these neutron fields and (n,xn) reactions would be one of the best options how to do such monitoring. There is one condition though. We need to have good cross- section data in high neutron energy region. Unfortunately, the current situation is rather bad. There is only a small amount of reliable data for neutron energies above 20 MeV and with increasing energy, the situation gets only worse. For this reason, we measure the cross-sections of (n,xn) reactions on perspective materials such as yttrium, gold and tantalum with neutron energies from 17.4 up to 94 MeV. In this thesis, the measurements together with motivation and methodology are described. Obtained results are in agreement with existing data. Severe discrepancies were observed between the predictions and experimental data for high order (n,xn) reactions. This problem is discussed and solved. The results in this region are in form of cross-section values and also...

Basierend auf dem Reaktordynamikcode DYN3D für LWR, wurde die Codeversion DYN3D-HTR für das Blockkonzept eines graphit-moderierten, helium-gekühlten Hochtemperaturreaktors entwickelt. Diese Entwicklung umfasst die: • methodische Weiterentwicklung der 3D stationären Neutronenflussberechnung für hexagonale Geometrie (HTR-Brennelement-Blöcke), • Generierung von Wirkungsquerschnittsdaten unter Berücksichtigung der doppelten Heterogenität, • Modellierung der Wärmeleitung und des Wärmetransports in der Graphitmatrix. Die nodale SP3-Neutronentransport-Methode in DYN3D wurde auf hexagonale Brennelementgeometrie erweitert. Es wird eine Unterteilung der Hexagone in Dreiecke vorgenommen, so dass die Verfeinerung hexagonaler Strukturen untersucht werden kann. Die Verifikation erfolgte durch Vergleiche mit Monte-Carlo-Referenzlösungen. Für die Behandlung der doppelten Heterogenität der Brennelementstruktur bei Homogenisierung der Wirkungsquerschnitte wurden neue Methoden entwickelt. Zum einen wurde ein zweistufiges Homogenisierungsverfahren basierend auf der Methode der sog. Reactivity Equivalent Transformation (RPT) weiterentwickelt. Zum anderen ermöglichte die Verfügbarkeit des neuen Monte-Carlo-Codes SERPENT die Anwendung eines einstufigen Verfahrens, wobei die 3D heterogenen Strukturen in einem Rechenschritt konsistent erfasst werden können. Weiterhin wur-de in DYN3D ein 3D Wärmeleitungsmodell implementiert, das den radialen und axialen Wärmetransport in der Graphitmatrix beschreiben kann. DYN3D-HTR wurde schließlich anhand der Testfälle für Reaktivitätstransienten erprobt. Die Verifikation erfolgte durch Vergleich zwischen 3D und 1D Berechnung der Wärmeleitung. Schließlich wurde DYN3D mit dem CFD-Code ANSYS-CFX gekoppelt, um auch dreidimensionale Strömungen in Reaktorkernen berechnen zu können. Der Kern wird als poröser Körper modelliert. Die Kopplung wurde an anhand von 2 Testbeispielen, dem Auswurf eines Steuerstabes und einer lokalen Strömungsblockade in einem Brennelement, erprobt.

Die Protonentherapie, welche zur Behandlung von Tumoren mittlerweile weltweit eingesetzt wird, könnte von einem System zur Reichweitekontrolle des Protonenstrahls bedeutend profitieren. Einen Rückschluss auf die Position der Protonen in Echtzeit ermöglicht die prompte Gammastrahlung. Diese Sekundärstrahlung entsteht durch nukleare Wechselwirkungen der Protonen mit den Atomkernen im Gewebe. Derzeit existieren verschiedene Methoden die aus einer Messung der zeitlichen oder räumlichen Verteilung dieser hochenergetischen Photonen versuchen eine Reichweiteinformation zu gewinnen. Die Methoden zur Nutzung prompter Gammastrahlung beruhen auf den verlässlichen Voraussagen von Teilchentransportrechnungen. Im Vergleich zu Messungen zeigen diese jedoch Diskrepanzen in den Photonenproduktionsquerschnitten aufgrund mangelnder experimenteller Stützstellen. Um einen Beitrag zu der Datenlage zu leisten, soll das Emissionsspektrum prompter Gammastrahlung am Kohlenstoff bestimmt werden. Dazu werden mithilfe von Entfaltungsalgorithmen aus den aufbereiteten Messdaten und der simulierten Detektorantwort vorhandene Energielinien und deren Intensität extrahiert. Über eine Normierung auf die Anzahl einfallender Protonen erfolgt die Bestimmung von Ausbeuten prompter Gammastrahlung bei der Bestrahlung homogener Kohlenstofftargets mit Protonen.:1 Einleitung und Motivation 2 Grundlagen der Entfaltung von Gammaspektren 2.1 Inverses Problem 2.1.1 Gold-Dekonvolution 2.1.2 Spektrum-Stripping 3 Experimentelle Bestimmung des prompten Gammaspektrums 3.1 Vorbetrachtungen und Aufbau des Experimentes 3.2 Verarbeitung der Messdaten 3.3 Optimierung des Messaufbaus und Maßnahmen der Untergrundreduktion 3.3.1 Abschirmung der Detektoren und Untergrundkorrektur 3.3.2 Flugzeitdiskriminierung 4 Entfaltung der gewonnenen Gammaspektren 4.1 Bestimmung der Detektorantwort mit GEANT 4 4.1.1 Bestimmung der detektorspezifischen Energieauflösung und des Ansprechvermögens über Quellmessungen 4.2 Entfaltung 4.2.1 Ergebnisse der Gold-Dekonvolution 4.2.2 Ergebnisse des Spektrum-Stripping 4.3 Protonenfluenznormierung 5 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A Depositionsspektren der Detektoren 2 (125°) und 3 (55°) 69 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung / Proton therapy, which has become a clinically established technology for cancer treatment worldwide, would greatly benefit from an appropriate range verification system. A signature, which can be used to trace the range of the primary protons in real time during the treatment, is the so-called prompt gamma radiation. It is produced in nuclear reactions of the protons with the nuclei in tissue. Currently, there are different approaches which try to decode a range information from the spatial or time distribution of these high energetic photons. Methods utilizing prompt gamma-rays rely on the prediction of particle transport simulations. In comparison to measurements these simulations show severe deviations in prompt gamma-ray yield due to insufficient availability of experimental data. To make a contribution to the data situation, the prompt gamma-ray emission spectra for carbon should be investigated. Therefore deconvolution algorithms are applied to measured spectra with knowledge of the detector response function. Unfolded energy lines and their intensities are examined. With help of proton fluence some yields for the irradiation of homogeneous graphite targets are determined.:1 Einleitung und Motivation 2 Grundlagen der Entfaltung von Gammaspektren 2.1 Inverses Problem 2.1.1 Gold-Dekonvolution 2.1.2 Spektrum-Stripping 3 Experimentelle Bestimmung des prompten Gammaspektrums 3.1 Vorbetrachtungen und Aufbau des Experimentes 3.2 Verarbeitung der Messdaten 3.3 Optimierung des Messaufbaus und Maßnahmen der Untergrundreduktion 3.3.1 Abschirmung der Detektoren und Untergrundkorrektur 3.3.2 Flugzeitdiskriminierung 4 Entfaltung der gewonnenen Gammaspektren 4.1 Bestimmung der Detektorantwort mit GEANT 4 4.1.1 Bestimmung der detektorspezifischen Energieauflösung und des Ansprechvermögens über Quellmessungen 4.2 Entfaltung 4.2.1 Ergebnisse der Gold-Dekonvolution 4.2.2 Ergebnisse des Spektrum-Stripping 4.3 Protonenfluenznormierung 5 Zusammenfassung und Ausblick Anhang A Depositionsspektren der Detektoren 2 (125°) und 3 (55°) 69 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung

Dans cette thèse nous avons étudié des collisions entre des projectiles CnN⁺ (n=0,1,2,3) et des atomes d’Hélium à vitesse intermédiaire (2.25 u.a). A cette vitesse, proche de la vitesse des électrons sur les couches de valence externe des atomes et molécules, de nombreux processus électroniques prennent place avec une forte probabilité : ionisation (simple et multiple), excitation électronique, capture d’électron (simple et double). Nous avons mesuré les sections efficaces absolues de tous ces processus. Un autre aspect intéressant de la collision concerne la fragmentation des molécules excitées, que nous avons également mesurée précisément grâce à un dispositif dédié. Les expériences ont été effectuées auprès de l’accélérateur Tandem d’Orsay avec des faisceaux de quelques MeV d’énergie cinétique. Le dispositif AGAT a permis de réaliser les collisions (en condition de collision unique) et de mesurer tout à la fois les sections efficaces des processus et la fragmentation associée. Parallèlement nous avons simulé ces collisions d’un point de vue théorique en utilisant le modèle à Atomes et Electrons Indépendants (IAE) couplé à des calculs CTMC (Classical trajectory Monte Carlo). Sur cette base, nous avons prédit les sections efficaces qui se sont trouvées être en bon accord avec les mesures, à l’exception de la double capture d’électrons. Par ailleurs les rapports de branchement de dissociation des CnN⁺ après excitation électronique sont bien reproduits en utilisant la distribution d’énergie interne des espèces calculées avec le même modèle IAE/CTMC. Ces expériences nous ont permis de construire des « Breakdown Curves » (BDC), véritables cartes d’identité des molécules qui permettent de prévoir, dans le cadre d’une fragmentation statistique comment va fragmenter un système dont on connait l’énergie interne. Avec ces BDC nous avons pu prédire et recommander des rapports de branchement pour des voies de sortie de processus physiques et chimiques d’intérêt astrochimique. Ces données seront insérées dans la base internationale d'astrochimie the Kinetic Data Base for Astrochemistry KIDA. Cette thèse a été réalisée dans le cadre de l’Ecole Doctorale Ondes et Matière (EDOM) à l’Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (ISMO), à l’Université Paris-Sud Paris Saclay. / This thesis studies the aftermath of collision between singly positively charged Nitrogenated carbon species CnN⁺ (n=0,1,2,3) and neutral Helium atom at a velocity of 2.25 au. At this velocity, close to the velocity of outer electrons in atoms and molecules, several electronic processes take place and are near their maximum of probability such as ionisation (single, double, triple …), electronic excitation and electron capture (single and double). We looked at their cross sections and how their evolution with the molecule size. Following the collision the molecule can fragment, which leads to another interesting aspect, the fragmentation branching ratios. Collision experiments were done using a Tandem accelerator at Orsay that produced the CnN⁺ projectiles and a dedicated set-up, AGAT, to capture the flying fragments/intact molecule after collision according to their charge to mass ratio. Knowing the number of particles that are shot and the fact that our set-up allows no loss of fragments/intact molecule, we could get the probabilities of various fragments formed. Using these probabilities and a knowledge of the Helium jet profile used, we could measure their cross sections. The probabilities alone are sufficient to obtain the fragmentation branching ratios.The next step was to use a theoretical model to simulate the collision. We used Independent Atom and Electron (IAE) model coupled with Classical Trajectory Monte Carlo (CTMC) method to calculate the desired cross sections. A general good agreement was obtained, with the exception of double electron capture. The model could also predict, through the calculation of the species internal energy, the fragmentation branching ratios of cations CnN⁺ after electronic excitation. Also, the branching ratios were used to construct semi-empirical Breakdown Curves (BDCs), which are internal energy dependent dissociation branching ratios specific to each molecule, type, size and charge. With those, we could recommend products branching ratios to be used for various processes of astrochemical interest. The products branching ratios will be made available for a wider network of researchers under the international Kinetic Database for Astrochemistry (KIDA).This thesis was realized under the doctoral programme of Ecole Doctorale Ondes et Matiere (EDOM) with Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (ISMO) where the author was given an office and Université Paris-Sud where the author is formally enrolled.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Ein-Photonen-Ionisation von einfachen Atomen und hierbei insbesondere mit der Interpretation von Photoionisationsquerschnitten im Lichte elektronischer Korrelationen. Die Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Im ersten Teil untersuchen wir die Einfachphotoionisation des Heliumatoms unterhalb der Doppelionisationsschwelle. Die korrelierte Dynamik der Elektronen drückt sich in diesem Energiebereich in der Existenz doppeltangeregter Resonanzzustände aus. Im Mittelpunkt dieses ersten Teiles steht die Analyse partieller Einfachphotoionisationsquerschnitte. Diese lassen sich anhand ihres gleichen Aussehens, wir sprechen von gleichartigen Resonanzmustern, quer durch die N-Mannigfaltigkeiten (d.h. über einen weiten Energiebereich) in sogenannte Ketten gruppieren. Die Deutung dieser Ähnlichkeitsmuster basiert auf der Klassifikation der doppeltangeregten Zustände mittels Quantenzahlen, die von approximativen Symmetrien im Heliumatom herrühren. Im zweiten Teil der Arbeit befassen wir uns mit der Mehrfachionisation von einfachen Atomen. Wir diskutieren zunächst einfache analytische Formfunktionen zur Beschreibung von Mehrfachionisationsquerschnitten. Den breitesten Raum des zweiten Teiles nimmt die Entwicklung eines Modells der Doppelphotoionisation ein, das auf der expliziten Separation der dominanten Ionisationsmechanismen beruht. Die zwei wesentlichen Mechanismen der Doppelphotoionisation (in nichtrelativistischer Dipolnäherung) sind die Knock-Out (KO)- und die Shake-Off (SO)-Ionisation. Im Rahmen unseres Modells beschreiben wir den KO-Mechanismus mittels einer konzeptionell wenig aufwendigen (quasi-)klassischen Phasenraummethode. Für den SO-Mechanismus stellen wir einen einfachen auf einer sudden approximation basierenden Zugang vor. Wir wenden unser Modell auf die Doppelionisation der Elemente der isoelektronischen Reihe von Helium an und diskutieren dabei die Bedeutung der Mechanismen in Abhängigkeit der Photonenenergie. Der KO-Beitrag zu den Querschnitten lässt sich im Rahmen des sogenannten Halbstoß-Modells der Doppelphotoionisation interpretieren, das eine Verbindung zur Elektronenstoßionisation herstellt.

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