Second-order phase transitions involve critical fluctuations just below and above the transition temperature. Macroscopically, they manifest in the power-law behaviour of many physical properties such as the susceptibility and the specific heat. The power-laws are predicted to be universal, i.e. the same exponents are expected for a certain class of transitions irrespective of the microscopic details of the system. The underlying commonality of such transitions is the divergence of the correlation length ξ and the correlation time ξ_τ of the critical fluctuations at the transition temperature. Both ξ and ξ_τ can be directly observed by neutron scattering experiments, making them an ideal tool for the study of critical phenomena. At classical phase transitions, the critical fluctuations will be thermal in nature. However, if a second-order transition occurs at T = 0, thermal fluctuations are frozen, and the transition is driven by quantum fluctuations instead. This is called a quantum critical point. The quantum nature of the fluctuations influences observable properties, also at finite temperatures, and causes unusual behaviour in the vicinity of the quantum critical point or the existence of exotic phases, e.g. unconventional superconductivity. Heavy-fermion compounds are a class of materials that is well suited for the study of quantum criticality. They frequently show second-order transitions into a magnetically ordered state at very low temperatures, which can easily be tuned to T = 0 by the application of pressure, magnetic fields or element substitution. In this thesis, fluctuations near a quantum critical point are investigated for three heavy-fermion systems. CeCu2Si2 shows unconventional superconductivity close to an antiferromagnetic quantum critical point. Results from single-crystal neutron spectroscopy and thermodynamic measurements are discussed and some details are also given about the synthesis of large single crystals. The focus of the study is the comparison of the inelastic response of magnetic and superconducting samples, which are found to be very similar for ΔE > 0.2 meV. CePdAl has an antiferromagnetic state with partial magnetic frustration. The ordering temperature can be suppressed by Ni substitution towards a quantum critical point. Single-crystal neutron diffraction experiments of three members of the substitution series were analysed. They revealed several unusual effects of the frustrated state in the pure sample, and show that magnetic order and frustration persist in the substituted samples. YbNi4P2 is a rare example of a compound with ferromagnetic quantum criticality, which has only been studied in the last few years. The aim of the powder neutron spectroscopy experiments presented here was to obtain an overview of the relevant energy scales, i.e. the crystal electric field, local magnetic fluctuations and ferromagnetic fluctuations. Simulations using the program McPhase were performed for a thorough understanding of the crystal electric field.

In zukünftigen kerntechnischen Anlagen können die Materialien Blei und Bismut eine größere Rolle spielen als heute. Für die Planung dieser Anlagen werden verlässliche Wirkungsquerschnittsdaten benötigt. Insbesondere der Neutronentransport in einem Blei-Spallationstarget eines beschleunigergetriebenen unterkritischen Reaktors hängt stark von den inelastischen Streuquerschnitten im Energiebereich von 0,5 MeV bis 6 MeV ab. In den vergangenen 20 Jahren wurden elastische und inelastische Neutronenstreuquerschnitte mit hoher Präzision für eine Vielzahl von Elementen am PTB-Flugzeitspektrometer gemessen. Zur Erzeugung der Neutronen wurde hauptsächlich die D(d,n)-Reaktion genutzt. Aufgrund des Q-Wertes der Reaktion und der verfügbaren Deuteronenenergien können Neutronen im Energiebereich von 6 MeV bis 16 MeV erzeugt werden. Die Messung von Wirkungsquerschnitten bei niedrigeren Energien erfordert somit die Verwendung einer anderen neutronenerzeugenden Reaktion. Hierfür wurde die 15N(p,n)15O-Reaktion ausgewählt, da sie die Erzeugung monoenergetischer Neutronen bis zu einer Energie von 5,7 MeV erlaubt. In dieser Arbeit wird die 15N(p,n)-Reaktion auf ihre Eignung als Quelle monoenergetischer Neutronen in Streuexperimenten untersucht. Die Untersuchung der Reaktion beinhaltet die Messung von differentiellen Wirkungsquerschnitten für ausgewählte Energien und die Auswahl von optimalen Targetbedingungen. Differentielle elastische und inelastische Neutronenstreuquerschnitte wurden unter Anwendung der Flugzeitmethode für Blei bei vier Energien zwischen 2 MeV und 4 MeV gemessen. Eine Bleiprobe mit natürlicher Isotopenzusammensetzung wurde verwendet. Für den Nachweis der gestreuten Neutronen wurden NE213 Flüssigszintillatoren verwendet, deren Nachweiswahrscheinlichkeit gut bekannt ist. Winkelintegrierte Wirkungsquerschnitte wurden mit einem Legendre-Polynomfit unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. Zusätzlich erfolgten Messungen für die isotopenreinen Streuproben 209Bi und 181Ta bei 4 MeV Neutronenenergie. Die Ergebnisse werden mit denen früherer Experimente und aktuellen Evaluationen verglichen. / In future nuclear facilities, the materials lead and bismuth can play a more important role than in today’s nuclear reactors. Reliable cross section data are required for the design of those facilities. In particular the neutron transport in the lead spallation target of an Accelerator-Driven Subcritical Reactor strongly depends on the inelastic neutron scattering cross sections in the energy region from 0.5MeV to 6 MeV. In the recent 20 years, elastic and inelastic neutron scattering cross sections were measured with high precision for a variety of elements at the PTB time-of-flight spectrometer. The D(d,n) reaction was primarily used for the production of neutrons. Because of the Q value of the reaction and the available deuteron energies, neutrons in the energy range from 6MeV to 16MeV can be produced. For the cross section measurement at lower energies, however, another neutron producing reaction is required. The 15N(p,n)15O reaction was chosen, as it allows the production of monoenergetic neutrons with up to 5.7MeV energy. In this work, the 15N(p,n) reaction was studied with focus on the suitability as a source for monoenergetic neutrons in scattering experiments. This includes the measurement of differential cross sections for the neutron producing reaction and the choice of optimum target conditions. Differential elastic and inelastic neutron scattering cross sections were measured for lead at four energies in the region from 2MeV to 4MeV incident neutron energy using the time-offlight technique. A lead sample with natural isotopic composition was used. NE213 liquid scintillation detectors with well-known detection efficiencies were used for the detection of the scattered neutrons. Angle-integrated cross sections were determined by a Legendre polynomial expansion using least-squares methods. Additionally, measurements were carried out for isotopically pure 209Bi and 181Ta samples at 4MeV incident neutron energy. Results are compared with other measurements and recent evaluations.

The R2PdSi3 (R = heavy rare earth) have been synthesized first in 1990 in the search for materials with unusual electronic properties. The availability of single crystals was the starting point for several investigations of the magneto-crystalline anisotropy, also in applied magnetic fields. The results of the observed properties in resistivity, magnetization and susceptibility lead to the summary that these compounds range from interesting to exotic and that their magnetic properties are low dimensional, spin-glass like and altogether “novel”. The focus of this thesis is the careful analysis of the magnetic properties and magnetic structures of single crystalline R2PdSi3 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm). The investigation of macroscopic properties uses magnetization and ac-susceptibility measurements. Resulting from these investigations are magnetic phase diagrams. Neutron and resonant X-ray diffraction measurements elucidate the magnetic structure for the investigated compounds. The phase diagram of Tb2PdSi3 is the starting point of a detailed neutron diffraction study in applied magnetic fields up to 6.5 T and in the temperature range from 0.05 K to 100 K on this compound. Key to the understanding of the R2PdSi3 is the strong coupling of crystallographic structure to the magnetic properties. Thus the established framework of exchange interaction and magneto-crystalline anisotropy allows a collective description instead of a “novel” behavior. / Die R2PdSi3 (R = schwere seltene Erde) sind erstmals 1990, im Rahmen der Suche nach Materialien mit ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften, synthetisiert worden. Die Verfügbarkeit von Einkristallen war der Startpunkt für eine Vielzahl von Untersuchungen, auch in angelegten Magnetfeldern, der magneto-kristallinen Anisotropie. Das Ergebnis der untersuchten Eigenschaften Widerstand, Magnetisierung und Suszeptibilität führte zu dem Schluss, dass diese Verbindungen interessant bis exotisch und das ihre magnetischen Eigenschaften niedrig dimensional, spin-glas ähnlich und insgesamt “neuartig“ sind. Der Schwerpunkt dieser Dissertation ist die genaue Analyse der magnetischen Eigenschaften und Magnetischen Strukturen von einkristallinen R2PdSi3 (R = Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm). Magnetisierungs- und Suszeptibilitäts-Messungen werden zur Untersuchung der makroskopischen Eigenschaften benutzt. Resultat dieser Untersuchungen sind magnetische Phasendiagramme. Neutronen und resonante Röntgendiffraktrometrie klären die magnetische Struktur der untersuchten Verbindungen auf. Das Phasendiagramm von Tb2PdSi3 ist der Startpunkt einer detaillierten Neutronendiffraktionsuntersuchung dieser Verbindung in Magnetfeldern bis 6.5 T und im Temperaturbereich von 0.05 K und 100 K. Der Schlüssel zum Verständnis der R2PdSi3 ist die starke Kopplung der kristallografischen Struktur und der magnetischen Eigenschaften. Dadurch erlaubt das etablierte System aus Austauschwechselwirkung und magneto-kristalliner Anisotropie eine gemeinsame Beschreibung anstatt „neuartigem“ Verhalten.

Am COSY-TOF-Detektor existiert ein umfangreiches Programm zur Untersuchung der assoziierten Strangenessproduktion im Proton-Proton-Stoss. Bei der im April 1998 durchgeführten Messung wurde erstmals die Reaktion pp -> K+ Sigma+ n schwellennah, bei einem Strahlimpuls von 2,85 GeV/c, entsprechend einer Ueberschussenergie von 98 MeV, gemessen. Dabei kamen die in Erlangen gebauten Start- und Vertexdetektoren, die aufgrund ihrer guten Auflösung neben der Bestimmung der Kaonenspur auch die Rekonstruktion des verzögerten Sigma+ -Zerfalls erlauben, zum Einsatz. Als Stoppkomponente mit einer Flugstrecke von 1 m war bei dieser Messung der Quirldetektor im Einsatz. Das primäre Neutron wurde mittels des in Dresden gebauten Neutronendetektors COSYnus nachgewiesen. Die Identifikation der pp -> K+ Sigma+ n -Reaktion basiert dabei auf dem Nachweis des primären Neutrons im Neutronendetektor sowie auf der Rekonstruktion des Sigma+ -Zerfalls. Die für diesen Zerfall charakteristischen Grössen Zerfallspunkt und Winkel zwischen der Sigma+ -Spur und der Spur des geladenen Zerfallsteilchens dienen dabei als Selektionskriterium. Durch die Rekonstruktion der Spuren aller drei Ejektile ist die Berechnung aller kinematischen Grössen im Ausgangskanal möglich. Der beträchtliche Anteil an Untergrundereignissen des Typs pp -> p n pi+ kann durch Schnitte auf den Phasenraum sowie auf die Differenzwinkel zwischen den Ejektilen reduziert, aber nicht vollständig abgetrennt werden. Durch Hinzunahme von Schnitten auf die Neutronenflugzeit kann dieser Untergrund nahezu vollständig unterdrückt werden. Aus dem Experimentdatensatz konnten 22 Ereignisse rekonstruiert werden. Daraus ergibt sich ein totaler Wirkungsquerschnitt von 11,5 plusminus 2,4 microbarn.

The nuclear design of fusion devices such as ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), which is an experimental fusion reactor based on the "tokamak" concept, rely on the results of neutron physical calculations. These depend on the knowledge of the neutron and photon flux spectra which is particularly important because it permits to anticipate the possible answers of the whole structure to phenomena such as nuclear heating, tritium breeding, atomic displacements, radiation shielding, power generation and material activation. The flux spectra can be calculated with transport codes, but validating measurements are also required. An important constituent of structural materials and divertor areas of fusion reactors is tungsten. This thesis deals with the measurement of the neutron fluence and neutron energy spectrum in a tungsten assembly by means of multiple foil neutron activation technique. In order to check and qualify the experimental tools and the codes to be used in the tungsten benchmark experiment, test measurements in the D-T and D-D neutron fields of the neutron generator at Technische Universität Dresden were performed. The characteristics of the D-D and D-T reactions, used to produce monoenergetic neutrons, together with the selection of activation reactions suitable for fusion applications and details of the activation measurements are presented. Corrections related to the neutron irradiation process and those to the sample counting process are discussed, too. The neutron fluence and its energy distribution in a tungsten benchmark, irradiated at the Frascati Neutron Generator with 14 MeV neutrons produced by the T(d, n)4He reaction, are then derived from the measurements of the neutron induced γ-ray activity in the foils using the STAYNL unfolding code, based on the linear least-square-errors method, together with the IRDF-90.2 (International Reactor Dosimetry File) cross section library. The differences between the neutron flux spectra measured by means of neutron foil activation and the neutron flux spectra obtained in the same assembly, making use of an NE213 liquid-scintillation spectrometer were studied. The comparison of measured neutron spectra with the spectra calculated with the MCNP-4B (Monte Carlo neutron and photon transport) code, which allows a crucial test of the evaluated nuclear data used in fusion reactor design, is discussed, too. In conclusion, this thesis shows the applicability of the neutron foil activation technique for the measurement of neutron flux spectra inside a thick tungsten assembly irradiated with 14 MeV from a D-T generator. / Die Konstruktion von Fusionsreaktoren wie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), der ein experimenteller Fusionsreaktor ist und auf dem "Tokamak"-Konzept beruht, basiert unter neutronenphysikalischen Gesichtspunkten auf den Ergebnissen von umfangreichen Simulationsrechnungen. Diese setzen die Kenntnis der Spektren des Neutronen- und Photonenflusses voraus die besonders wichtig ist, weil sie, die möglichen Antworten der ganzen Struktur auf physikalische Prozesse vorauszuberechnen erlaubt wie z.B.: Heizen durch nukleare Prozesse, Tritium-Brüten, Atomverschiebung, Abschirmung von Strahlung, Leistungserzeugung und Materialaktivierung. Die Flußspektren können mittels Transportcodes berechnet werden, aber es werden auch Messungen zu ihrer Bestätigung benötigt. Ein wichtiger Bestandteil des Strukturmaterials und der Divertor-Flächen der Fusionsreaktoren ist Wolfram. Diese Dissertation behandelt die Messungen der Neutronspektren und ?fluenz in einer Wolfram-Anordnung mittels der Multifolien-Neutronenaktivierungstechnik. Um die anzuwendenden experimentellen Geräte und die Codes, die im Wolfram-Benchmark-Experiment eingesetzt werden, zu überprüfen und zu bestimmen, wurden Testmessungen in den D-T und D-D Neutronenfeldern des Neutronengenerator der Technischen Universität Dresden durchgeführt. Die Eigenschaften der D-T und D-D Reaktionen, die für die Erzeugung von monoenergetischen Neutronen verwendet werden, sowie die Auswahl der Aktivierungsreaktionen, die für Fusionsanwendungen geeignet sind und die Aktivierungsmessung werden detailliert vorgestellt. Korrekturen, die sich auf den Neutronen-Bestrahlungsprozess und auf den Probenzählungsprozess beziehen, werden ebenfalls besprochen. Die Neutronenfluenz und ihre Energieverteilung in einem Wolfram-Benchmark, bestrahlt am Frascati Neutronen Generator mit 14 MeV-Neutronen aus der T(d, n)4He Reaktion, werden aus den Messungen der γ-Strahlenaktivität, die von Neutronen in den Folien induziert ist, durch den STAYNL Entfaltungscode, der auf der Methode der kleinsten Fehlerquadrate basiert, zusammen mit der IRDF-90.2 Wirkungsquerschnitt-Bibliothek abgeleitet. Die Unterschiede zwischen den Neutronenflußspektren, die mit Hilfe der Multifolien-Neutronenaktivierung ermittelt wurden, und den Neutronenflußspektren, gemessen im selben Aufbau mit einem NE-213 Flüssigszintillator, wurden untersucht. Die gemessenen Neutronenspektren werden den aus MCNP-4B Rechnungen (Monte Carlo neutron and photon transport) ermittelten Spektren gegenüber gestellt. Der Vergleich stellt einen wichtigen Test der evaluierten Kerndaten für Fusionsreaktorkonzepte dar. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die Anwendbarkeit der Multifolien-Neutronenaktivierungstechnik bei Messungen der Neutronenflussspektren innerhalb eines massiven Wolframblocks bei Bestrahlung mit schnellen Neutronen aus D-T Generatoren.