Macro Monte Carlo for dose calculation of proton beams

Although the Monte Carlo (MC) method allows accurate dose calculation for proton radiotherapy, its usage is limited due to long computing time. In order to gain efficiency, a new macro MC (MMC) technique for proton dose calculations has been developed. The basic principle of the MMC transport is a local to global MC approach. The local simulations using GEANT4 consist of mono-energetic proton pencil beams impinging perpendicularly on slabs of different thicknesses and different materials (water, air, lung, adipose, muscle, spongiosa, cortical bone). During the local simulation multiple scattering, ionization as well as elastic and inelastic interactions have been taken into account and the physical characteristics such as lateral displacement, direction distributions and energy loss have been scored for primary and secondary particles. The scored data from appropriate slabs is then used for the stepwise transport of the protons in the MMC simulation while calculating the energy loss along the path between entrance and exit position. Additionally, based on local simulations the radiation transport of neutrons and the generated ions are included into the MMC simulations for the dose calculations. In order to validate the MMC transport, calculated dose distributions using the MMC transport and GEANT4 have been compared for different mono-energetic proton pencil beams impinging on different phantoms including homogeneous and inhomogeneous situations as well as on a patient CT scan. The agreement of calculated integral depth dose curves is better than 1% or 1 mm for all pencil beams and phantoms considered. For the dose profiles the agreement is within 1% or 1 mm in all phantoms for all energies and depths. The comparison of the dose distribution calculated using either GEANT4 or MMC in the patient also shows an agreement of within 1% or 1 mm. The efficiency of MMC is up to 200 times higher than for GEANT4. The very good level of agreement in the dose comparisons demonstrate that the newly developed MMC transport results in very accurate and efficient dose calculations for proton beams.

Effects of various forms of calcium added to chewing gum on initial enamel carious lesions in situ

The purpose of this randomized, cross-over in situ study was to determine the effects of 4 chewing gums on artificial caries-like subsurface lesions. Two chewing gums (1 with zinc citrate and 1 without) contained dicalcium phosphate (3.9%), calcium gluconate (1.8%) and calcium lactate (0.45%), 1 chewing gum contained casein phosphopeptide-amorphous calcium phosphate nanocomplexes (0.7%), and another one contained no calcium. Fifteen subjects without current caries activity (7 male, 8 female; mean age: 27.5 +/- 2.5 years) wore removable buccal appliances in the lower jaw with 4 bovine enamel slabs with subsurface lesions. The appliances were inserted immediately before gum chewing for 20 min and then retained for an additional 20 min. This was performed 4 times per day. Every subject chewed 4 different chewing gums over 4 periods of 14 days each. During a fifth period (control) the subjects only wore the appliances without chewing gum. At completion of each period the enamel slabs were embedded, sectioned and subjected to transversal microradiography. With regard to change of mineral loss and of lesion depth no significant differences could be found between chewing gums containing calcium and calcium-free chewing gums. Moreover, the chewing gum groups and the control group did not differ significantly if adjustments were made for baseline values (p > 0.05; ANCOVA). Under the conditions of the present study it may be concluded that the use of chewing gum offers no additional remineralizing benefit to buccal tooth surfaces, even if the chewing gum contains calcium compounds.

Calibration of a portal imaging device for high-precision dosimetry: a Monte Carlo study

Today electronic portal imaging devices (EPID's) are used primarily to verify patient positioning. They have, however, also the potential as 2D-dosimeters and could be used as such for transit dosimetry or dose reconstruction. It has been proven that such devices, especially liquid filled ionization chambers, have a stable dose response relationship which can be described in terms of the physical properties of the EPID and the pulsed linac radiation. For absolute dosimetry however, an accurate method of calibration to an absolute dose is needed. In this work, we concentrate on calibration against dose in a homogeneous water phantom. Using a Monte Carlo model of the detector we calculated dose spread kernels in units of absolute dose per incident energy fluence and compared them to calculated dose spread kernels in water at different depths. The energy of the incident pencil beams varied between 0.5 and 18 MeV. At the depth of dose maximum in water for a 6 MV beam (1.5 cm) and for a 18 MV beam (3.0 cm) we observed large absolute differences between water and detector dose above an incident energy of 4 MeV but only small relative differences in the most frequent energy range of the beam energy spectra. It is shown that for a 6 MV beam the absolute reference dose measured at 1.5 cm water depth differs from the absolute detector dose by 3.8%. At depth 1.2 cm in water, however, the relative dose differences are almost constant between 2 and 6 MeV. The effects of changes in the energy spectrum of the beam on the dose responses in water and in the detector are also investigated. We show that differences larger than 2% can occur for different beam qualities of the incident photon beam behind water slabs of different thicknesses. It is therefore concluded that for high-precision dosimetry such effects have to be taken into account. Nevertheless, the precise information about the dose response of the detector provided in this Monte Carlo study forms the basis of extracting directly the basic radiometric quantities photon fluence and photon energy fluence from the detector's signal using a deconvolution algorithm. The results are therefore promising for future application in absolute transit dosimetry and absolute dose reconstruction.

Near-infrared digital photography to estimate snow correlation length for microwave emission modeling

The study is based on experimental work conducted in alpine snow. We made microwave radiometric and near-infrared reflectance measurements of snow slabs under different experimental conditions. We used an empirical relation to link near-infrared reflectance of snow to the specific surface area (SSA), and converted the SSA into the correlation length. From the measurements of snow radiances at 21 and 35 GHz , we derived the microwave scattering coefficient by inverting two coupled radiative transfer models (the sandwich and six-flux model). The correlation lengths found are in the same range as those determined in the literature using cold laboratory work. The technique shows great potential in the determination of the snow correlation length under field conditions.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.

Action of food preservatives on 14-days dental biofilm formation, biofilm vitality and biofilm-derived enamel demineralisation in situ

AIMS The aims of this double-blind, controlled, crossover study were to assess the influence of food preservatives on in situ dental biofilm growth and vitality, and to evaluate their influence on the ability of dental biofilm to demineralize underlying enamel over a period of 14 days. MATERIALS AND METHODS Twenty volunteers wore appliances with six specimens each of bovine enamel to build up intra-oral biofilms. During four test cycles of 14 days, the subjects had to place the appliance in one of the assigned controls or active solutions twice a day for a minute: negative control 0.9 % saline, 0.1 % benzoate (BA), 0.1 % sorbate (SA) and 0.2 % chlorhexidine (CHX positive control). After 14 days, the biofilms on two of the slabs were stained to visualize vital and dead bacteria to assess biofilm thickness (BT) and bacterial vitality (BV). Further, slabs were taken to determine mineral loss (ML), by quantitative light-induced laser fluorescence (QLF) and transversal microradiography (TMR), moreover the lesion depths (LD). RESULTS Nineteen subjects completed all test cycles. Use of SA, BA and CHX resulted in a significantly reduced BV compared to NaCl (p < 0.001). Only CHX exerted a statistically significant retardation in BT as compared to saline. Differences between SA and BA were not significant (p > 0.05) for both parameters. TMR analysis revealed the highest LD values in the NaCl group (43.6 ± 44.2 μm) and the lowest with CHX (11.7 ± 39.4 μm), while SA (22.9 ± 45.2 μm) and BA (21.4 ± 38.5 μm) lay in between. Similarly for ML, the highest mean values of 128.1 ± 207.3 vol% μm were assessed for NaCl, the lowest for CHX (-16.8 ± 284.2 vol% μm), while SA and BA led to values of 83.2 ± 150.9 and 98.4 ± 191.2 vol% μm, respectively. With QLF for both controls, NaCl (-33.8 ± 101.3 mm(2) %) and CHX (-16.9 ± 69.9 mm(2) %), negative values were recorded reflecting a diminution of fluorescence, while positive values were found with SA (33.9 ± 158.2 mm(2) %) and BA (24.8 ± 118.0 mm(2) %) depicting a fluorescence gain. These differences were non-significant (p > 0.05). CONCLUSION The biofilm model permited the assessment of undisturbed oral biofilm formation influenced by antibacterial components under clinical conditions for a period of 14 days. An effect of BA and SA on the demineralization of enamel could be demonstrated by TMR and QLF, but these new findings have to be seen as a trend. As part of our daily diet, these preservatives exert an impact on the metabolism of the dental biofilm, and therefore may even influence demineralization processes of the underlying dental enamel in situ.

Diagenesis of a light, tight-oil chert reservoir at the Ediacaran/Cambrian boundary, Sultanate of Oman

The Al Shomou Silicilyte Member (Athel Formation) in the South Oman Salt Basin shares many of the characteristics of a light, tight-oil (LTO) reservoir: it is a prolifi c source rock mature for light oil, it produces light oil from a very tight matrix and reservoir, and hydraulic fracking technology is required to produce the oil. What is intriguing about the Al Shomou Silicilyte, and different from other LTO reservoirs, is its position related to the Precambrian/Cambrian Boundary (PCB) and the fact that it is a ‘laminated chert‘ rather than a shale. In an integrated diagenetic study we applied microstructural analyses (SEM, BSE) combined with state-of-the-art stable isotope and trace element analysis of the silicilyte matrix and fractures. Fluid inclusion microthermometry was applied to record the salinity and minimum trapping temperatures. The microstructural investigations reveal a fi ne lamination of the silicilyte matrix with a mean lamina thickness of ca. 20 μm consisting of predominantly organic matter-rich and fi nely crystalline quartz-rich layers, respectively. Authigenic, micron-sized idiomorphic quartz crystals are the main matrix components of the silicilyte. Other diagenetic phases are pyrite, apatite, dolomite, magnesite and barite cements. Porosity values based on neutron density logs and core plug data indicate porosity in the silicilyte ranges from less than 2% to almost to 40%. The majority of the pore space in the silicilyte is related to (primary) inter-crystalline pores, with locally important oversized secondary pores. Pore casts of the silica matrix show that pores are extremely irregular in three dimensions, and are generally interconnected by a complex web or meshwork of fi ne elongate pore throats. Mercury injection capillary data are in line with the microstructural observations suggesting two populations of pore throats, with an effective average modal diameter of 0.4 μm. The acquired geochemical data support the interpretation that the primary source of the silica is the ambient seawater rather than hydrothermal or biogenic. A maximum temperature of ca. 45°C for the formation of microcrystalline quartz in the silicilyte is good evidence that the lithifi cation and crystallization of quartz occurred in the fi rst 5 Ma after deposition. Several phases of brittle fracturing and mineralization occurred in response to salt tectonics during burial. The sequences of fracture-fi lling mineral phases (dolomite - layered chalcedony – quartz – apatite - magnesite I+II - barite – halite) indicates a complex fl uid evolution after silicilyte lithifi cation. Primary, all-liquid fl uid inclusions in the fracturefi lling quartz are good evidence of growth beginning at low temperatures, i.e. ≤ 50ºC. Continuous precipitation during increasing temperature and burial is documented by primary two-phase fl uid inclusions in quartz cements that show brines at 50°C and fi rst hydrocarbons at ca. 70°C. The absolute timing of each mineral phase can be constrained based on U-Pb geochronometry, and basin modelling. Secondary fl uid inclusions in quartz, magnesite and barite indicate reactivation of the fracture system after peak burial temperature during the major cooling event, i.e. uplift, between 450 and 310 Ma. A number of fi rst-order trends in porosity and reservoir-quality distribution are observed which are strongly related to the diagenetic and fl uid history of the reservoir: the early in-situ generation of hydrocarbons and overpressure development arrests diagenesis and preserves matrix porosity. Chemical compaction by pressure dissolution in the fl ank areas could be a valid hypothesis to explain the porosity variations in the silicilitye slabs resulting in lower porosity and poorer connectivity on the fl anks of the reservoir. Most of the hydrocarbon storage and production comes from intervals characterized by Amthor et al. 114488 preserved micropores, not hydrocarbon storage in a fracture system. The absence of oil expulsion results in present-day high oil saturations. The main diagenetic modifi cations of the silicilyte occurred and were completed relatively early in its history, i.e. before 300 Ma. An instrumental factor for preserving matrix porosity is the diffi culty for a given slab to evacuate all the fl uids (water and hydrocarbons), or in other words, the very good sealing capacity of the salt embedding the slab.

Experimental study of electric breakdowns in liquid argon at centimeter scale

In this paper we present results on measurements of the dielectric strength of liquid argon near its boiling point and cathode-anode distances in the range of 0.1 mm to 40 mm with spherical cathode and plane anode. We show that at such distances the applied electric field at which breakdowns occur is as low as 40 kV/cm. Flash-overs across the ribbed dielectric of the high voltage feed-through are observed for a length of 300 mm starting from a voltage of 55 kV. These results contribute to set reference for the breakdown-free design of ionization detectors, such as Liquid Argon Time Projection Chambers (LAr TPC).