Der inelastische Streuquerschnitt von Neutronen mit 7Li weist keine scharfen Resonanzen und eine relativ niedrige Schwelle von 546 keV auf. Bis zur Aufbruchschwelle von 5291 keV findet die inelastische Streuung ausschließlich durch Emission eines 𝛾 -Quants mit 𝐸𝛾 = 477,6 keV statt. Er ist daher als Referenzquerschnitt geeignet. Lithium ist als 3H-Produzent von technischer Bedeutung für die Entwicklung zukünftiger Fusionsreaktoren oder Salzschmelzenreaktoren. Neuere Messungen des inelastischen Streuquerschnitts weichen signifikant von den bisher evaluierten Daten ab. Daher wurden an der Neutronenflugzeitanlage nELBE am HZDR in einem 170 Stunden dauernden Experiment mittels Flugzeit-Methode an einer 4 mm dicken LiF-Scheibe der Streuquerschnitt von 7Li(n,n’𝛾)7Li bestimmt. Die Flugstrecke der Neutronen beträgt 8,3 m. Es wurden 2 Zoll und 3 Zoll-LaBr3-Szintillatoren sowie HPGe- Miniball-Detektoren zum Nachweis der Gammastrahlung in zwei verschiedenen Datenacquisitionen verwendet. Es wird die Abregung von 7Li★ (477,6 keV) gemessen. Das Experiment profitiert von einem hohen Neutronenfluss (ca. 80 n/s/keV @ 1 MeV) sowie einer genauen Spaltkammer der PTB (H19) zur Neutronenflussbestimmung. Die Energie der Neutronen wird mittels Flugzeit-Methode bestimmt. Eine Geant4-Simulation dient der Korrektur der Transmission der Neutronen zum Target, sowie der Mehrfachstreuung und Selbstabsorption. Die bestimmten Wechselwirkungsquerschnitte der LaBr3- und HPGe-Detektoren sind untereinander konsistent, können die Ergebnisse aus [NBI+16] aber nicht bestätigen, die Abweichungen betragen bis zu 20 %. Die Halbwertszeit der gleichzeitig durch Bremsstrahlung in Luft erzeugten Positroniums wurde auf 116(7) ns bestimmt.:1. Einleitung und Motivation 1 2. Theoretische Vorbetrachtungen 3 2.1. Inelastische Neutronenstreuung 3 2.2. Wechselwirkungsquerschnitt 4 2.3. Bisherige Messungen 5 3. Aufbau und Beschreibung des Experimentes 9 3.1. Photoneutronenquelle 10 3.2. Detektoren und Target 11 3.3. Parallelplattenionisationskammer H19 13 3.4. Datenaufnahme 14 3.5. Triggermechanismen 15 4. Auswertung 19 4.1. Kalibrierung 19 4.1.1. Energiekalibrierung 21 4.1.2. Summing-Korrekturen 21 4.1.3. Effizienz-Kalibrierung 22 4.1.4. Effizienzsimulation 27 4.2. Stabilität der Impulshöhen 33 4.3. Totzeitkorrektur 34 4.4. Neutronenflussbestimmung 35 4.4.1. Spaltereignisbestimmung 35 4.4.2. Transmissionskorrektur 38 4.4.3. Mehrfachstreuung 41 4.5. Energieauflösungskorrektur 43 4.6. Bestimmung der Anzahl der 478 keV γ-Quanten 45 4.7. Gammaproduktionswirkungsquerschnitt 7Li (𝑛,𝑛′𝛾) 49 4.8. Anisotropie der Gamma-Emission 53 4.9. Systematische Unsicherheiten 54 5. Ergebnisse und Ausblick 57 A. Anhang 59 A.1. Dopplereffekt 59 A.2. CFD vs. LED Effizienz 63 A.3. Elektronik 64 A.4. Mehrfachstreuung im LiF 66 A.5. Wechselwirkungsquerschnitte für 7Li(n,n’𝛾) 66 A.6. Addendum zur Bestimmung der 478 keV 𝛾-Quanten 68 Literaturverzeichnis 71 / The inelastic neutron cross section of 7Li has no sharp resonances and a fairly low threshold of 546keV.Below the breakup threshold at 5291keV only one 𝛾-ray is emitted at 𝐸𝛾 =477, 6keV. It is therefore suited as a reference cross section. Lithium has technical usage as a 3H-producer in future fusion reactors as well as in molten salt reactors. But there are recent measurements [NBI+16] disagreeing with already evaluated data. To resolve this dissonance, an 170 h Experiment was carried out at the nELBE facility of the HZDR. A 4 mm thick LiF-disk was used as a target, the neutron flux was determined with a 235U parallel plate fission chamber. The flight path for the 7Li(n,n’𝛾)7Li reaction was 8,3 m. As detectors four two-inch LaBr3-detectors as well as three three-inch LaBr3-detectors and two miniball-type HPGe detectors with three 60 % crystals each were used. The measurement of the cross section is solely a measurement of the de-excitation of the first exited 7Li-State at 477,6 keV. The second exited state at 4,63 MeV already decays via particle emission and thus does not contribute any 𝛾-radiation. The experiment benefits from the high neutron flux at nELBE (80 n/s/keV @ 1 MeV) as well as from the precise fission chamber of the PTB (H19) for the neutron flux calibration. A Geant4- Simulation is used to determine correction factors as the transmission from the H19 to the target as well as the multiple scattering correction and the self absorption of the 477,6 keV 𝛾-Rays. The deduced cross section from both detector types are consistent, but they can’t reproduce the data from Nyman et al. PRC93 (2016). The deviations are up to 20 %. The half life of the by means of bremsstrahlung in air produced positroniums in the experiment is 116(7) ns.:1. Einleitung und Motivation 1 2. Theoretische Vorbetrachtungen 3 2.1. Inelastische Neutronenstreuung 3 2.2. Wechselwirkungsquerschnitt 4 2.3. Bisherige Messungen 5 3. Aufbau und Beschreibung des Experimentes 9 3.1. Photoneutronenquelle 10 3.2. Detektoren und Target 11 3.3. Parallelplattenionisationskammer H19 13 3.4. Datenaufnahme 14 3.5. Triggermechanismen 15 4. Auswertung 19 4.1. Kalibrierung 19 4.1.1. Energiekalibrierung 21 4.1.2. Summing-Korrekturen 21 4.1.3. Effizienz-Kalibrierung 22 4.1.4. Effizienzsimulation 27 4.2. Stabilität der Impulshöhen 33 4.3. Totzeitkorrektur 34 4.4. Neutronenflussbestimmung 35 4.4.1. Spaltereignisbestimmung 35 4.4.2. Transmissionskorrektur 38 4.4.3. Mehrfachstreuung 41 4.5. Energieauflösungskorrektur 43 4.6. Bestimmung der Anzahl der 478 keV γ-Quanten 45 4.7. Gammaproduktionswirkungsquerschnitt 7Li (𝑛,𝑛′𝛾) 49 4.8. Anisotropie der Gamma-Emission 53 4.9. Systematische Unsicherheiten 54 5. Ergebnisse und Ausblick 57 A. Anhang 59 A.1. Dopplereffekt 59 A.2. CFD vs. LED Effizienz 63 A.3. Elektronik 64 A.4. Mehrfachstreuung im LiF 66 A.5. Wechselwirkungsquerschnitte für 7Li(n,n’𝛾) 66 A.6. Addendum zur Bestimmung der 478 keV 𝛾-Quanten 68 Literaturverzeichnis 71

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L'utilisation de protons dans le traitement du cancer est largement reconnue grâce au parcours fini des protons dans la matière. Pour la planification du traitement par protons, l'incertitude dans la détermination de la longueur du parcours des protons provient principalement de l'inexactitude dans la conversion des unités Hounsfield (obtenues à partir de tomographie rayons X) en pouvoir d'arrêt des protons. La tomographie proton (pCT) est une solution attrayante car cette modalité reconstruit directement la carte du pouvoir d'arrêt relatif à l'eau (RSP) de l'objet. La technique pCT classique est basée sur la mesure de la perte d'énergie des protons pour reconstruire la carte du RSP de l'objet. En plus de la perte d'énergie, les protons subissent également des diffusions coulombiennes multiples et des interactions nucléaires qui pourraient révéler d'autres propriétés intéressantes des matériaux non visibles avec les cartes de RSP. Ce travail de thèse a consisté à étudier les interactions de protons au travers de simulations Monte Carlo par le logiciel GATE et d'utiliser ces informations pour reconstruire une carte de l'objet par rétroprojection filtrée le long des chemins les plus vraisemblables des protons. Mise à part la méthode pCT conventionnelle par perte d'énergie, deux modalités de pCT ont été étudiées et mises en œuvre. La première est la pCT par atténuation qui est réalisée en utilisant l'atténuation des protons pour reconstruire le coefficient d'atténuation linéique des interactions nucléaires de l'objet. La deuxième modalité pCT est appelée pCT par diffusion qui est effectuée en mesurant la variation angulaire due à la diffusion coulombienne pour reconstruire la carte de pouvoir de diffusion, liée à la longueur de radiation du matériau. L'exactitude, la précision et la résolution spatiale des images reconstruites à partir des deux modalités de pCT ont été évaluées qualitativement et quantitativement et comparées à la pCT conventionnelle par perte d'énergie. Alors que la pCT par perte d'énergie fournit déjà les informations nécessaires pour calculer la longueur du parcours des protons pour la planification du traitement, la pCT par atténuation et par diffusion donnent des informations complémentaires sur l'objet. D'une part, les images pCT par diffusion et par atténuation fournissent une information supplémentaire intrinsèque aux matériaux de l'objet. D'autre part, dans certains des cas étudiés, les images pCT par atténuation démontrent une meilleure résolution spatiale dont l'information fournie compléterait celle de la pCT par perte d'énergie. / The use of protons in cancer treatment has been widely recognized thanks to the precise stopping range of protons in matter. In proton therapy treatment planning, the uncertainty in determining the range mainly stems from the inaccuracy in the conversion of the Hounsfield units obtained from x-ray computed tomography to proton stopping power. Proton CT (pCT) has been an attractive solution as this modality directly reconstructs the relative stopping power (RSP) map of the object. The conventional pCT technique is based on measurements of the energy loss of protons to reconstruct the RSP map of the object. In addition to energy loss, protons also undergo multiple Coulomb scattering and nuclear interactions which could reveal other interesting properties of the materials not visible with the RSP maps. This PhD work is to investigate proton interactions through Monte Carlo simulations in GATE and to use this information to reconstruct a map of the object through filtered back-projection along the most likely proton paths. Aside from the conventional energy-loss pCT, two pCT modalities have been investigated and implemented. The first one is called attenuation pCT which is carried out by using the attenuation of protons to reconstruct the linear inelastic nuclear cross-section map of the object. The second pCT modality is called scattering pCT which is performed by utilizing proton scattering by measuring the angular variance to reconstruct the relative scattering power map which is related to the radiation length of the material. The accuracy, precision and spatial resolution of the images reconstructed from the two pCT modalities were evaluated qualitatively and quantitatively and compared with the conventional energy-loss pCT. While energy-loss pCT already provides the information needed to calculate the proton range for treatment planning, attenuation pCT and scattering pCT give complementary information about the object. For one, scattering pCT and attenuation pCT images provide an additional information intrinsic to the materials in the object. Another is that, in some studied cases, attenuation pCT images demonstrate a better spatial resolution and showed features that would supplement energy-loss pCT reconstructions.