Enhanced biological effect induced by a radioactive C-9-ion beam at the depths around its Bragg peak

To explore the potential of double irradiation source, radioactive C-9-ion beam, in tumor therapy, a comparative study oil the surviving effect of human salivary gland cells at different penetration depths between C-9 and C-12-ion beams has been carried out. The 9C-ion C beam, especially at the distal side of the beam came out more efficient in cell killing at the depths around its Bragg peak than the 12 Bragg peak. Compared to the C-12 beam, an increase in RBE by a factor of up to 2.13 has been observed at the depths distal to the Bragg peak of the 9C beam. The 9C beam showed an enhanced biological effect at the penetration depths around its Bragg peak, corresponding to the stopping region of the incident C-9-ions and where the delayed low-energy particles were emitted. Further analysis revealed that cell lethality by the emitted particles from the stopping C-9-ions is responsible for the excessive biological effect at the penetration depths around the Bragg peak of the C-9 beam.

位置灵敏Bragg探测器的研制

位置灵敏Bragg探测器的研制，是为实现戴光曦老师提出的设想：在Bragg探测器的内部实现对位置测量而进行的一项研究工作。这项工作的实现对中、低能重离子核反应完成对裂片的测量是很有意义的。本工作采用电阻串进行电荷分除来定位，这在近物所为第一次。试验中，同时测量位置，能量及电荷对~(252)C+源的α粒子可以达到：ΔE/E = 1.9%, ΔZ/Z = 1.6% ΔX好于9mm

Stability of Mo/Si multilayer structure used in Bragg-Fresnel optics

The thermal and chemical stabilities of Mo/Si multilayer structure used in Bragg-Fresnel optics were studied to get optimal technological parameters of pattern generation. Mo/Si multilayers were annealed at temperature ranging from 360 to 770 K, treated with acetone and 5 parts per thousand NaOH solution, and characterized by small-angle x-ray diffraction technique as well as x-ray photoelectron spectroscopy, and Olympus microscopy.

In situ cross-calibration of in-fibre Bragg Grating and Electrical Resistance Strain Gauges for structural monitoring using an extensometer

Special issue on Sensor Systems for Structural Health Monitoring Abstract—This study addresses the direct calibration of optical fiber strain sensors used for structural monitoring and is carried out in situ. The behavior of fiber-Bragg-grating-based sensor systems when attached to metal bars, in a manner representative of their use as reinforcement bars in structures, was examined and their response calibrated. To ensure the validity of the measurements,this was done using an extensometer with a further calibrationagainst the response of electrical resistance strain gauges, often conventionally used, for comparison. The results show a repeatable calibration generating a suitable geometric factor of extension to strain for these sensors, to enable accurate strain data to be obtained when the fiber-optic sensor system is in use in structural monitoring applications.

Study of reliability of fibre Bragg grating fibre optic strain sensors for field-test applications

In this paper, the reliability and thus the suitability of optical fibre strain sensors for surface strain measurement in concrete structures was investigated. Two different configurations of optical strain sensors were used each having different mountings making them suitable for different uses in various structures. Due to the very limited time available to install the sensors and take result, commercially packaged sensors were used. In the tests carried out each sensor was mounted onto a concrete beam which was then subjected to a range of known and calibrated loadings. The performance of the optical strain sensors thus evaluated was compared with the results of conventional techniques. This comparison allows for selecting the best performing combination of sensor/mounting, i.e. long-gauge sensor with mounts bolted to threaded rods glued into the concrete for use in future work in a field test where a limited time window was available for installation, testing and post-test demounting. © 2012 Elsevier B.V.

Ultrafast nonlinearities of minibands in metallodielectric Bragg resonators

The nonlinear properties of metallodielectric DBRs are investigated via optical pump-probe techniques using a widely tunable, dual-colour, high-repetition rate, ultrafast setup. As a consequence of the Bragg-arranged multilayers, the electric field penetrates to different depths of the nanostructure at different excitation resonances, strongly enhancing the intrinsic nonlinear response of the metal in comparison with bulk films. The analyzed spectral response of these structures reveals how their nonlinear behavior is dominated by the pump-induced modification of the metal dielectric function. Fitting the simulated changes of the optical resonances using transfer-matrix methods matches experiment well, and shows the key effects of the spectral dependence of the spatial mode profiles.

Relative Biological Effectiveness Variation Along Monoenergetic and Modulated Bragg Peaks of a 62-MeV Therapeutic Proton Beam: A Preclinical Assessment

iological optimization of proton therapy critically depends on detailed evaluation of relative biological effectiveness (RBE) variations along the Bragg curve. The clinically accepted RBE value of 1.1 is an oversimplification, which disregards the steep rise of linear energy transfer (LET) at the distal end of the spread-out Bragg peak. We observed significant cell killing RBE variations dependent on beam modulation, intrinsic radiosensitivity, and LET in agreement with the LEM predicted values, indicating dose-averaged LET as a suitable parameter for biological effectiveness. Data have also been used to validate a RBE parameterized model.

Investigating the Implications of a Variable RBE on Proton Dose Fractionation Across a Clinical Pencil Beam Scanned Spread-Out Bragg Peak

Purpose: To investigate the clinical implications of a variable relative biological effectiveness (RBE) on proton dose fractionation. Using acute exposures, the current clinical adoption of a generic, constant cell killing RBE has been shown to underestimate the effect of the sharp increase in linear energy transfer (LET) in the distal regions of the spread-out Bragg peak (SOBP). However, experimental data for the impact of dose fractionation in such scenarios are still limited.

Methods and Materials: Human fibroblasts (AG01522) at 4 key depth positions on a clinical SOBP of maximum energy 219.65 MeV were subjected to various fractionation regimens with an interfraction period of 24 hours at Proton Therapy Center in Prague, Czech Republic. Cell killing RBE variations were measured using standard clonogenic assays and were further validated using Monte Carlo simulations and parameterized using a linear quadratic formalism.

Results: Significant variations in the cell killing RBE for fractionated exposures along the proton dose profile were observed. RBE increased sharply toward the distal position, corresponding to a reduction in cell sparing effectiveness of fractionated proton exposures at higher LET. The effect was more pronounced at smaller doses per fraction. Experimental survival fractions were adequately predicted using a linear quadratic formalism assuming full repair between fractions. Data were also used to validate a parameterized variable RBE model based on linear α parameter response with LET that showed considerable deviations from clinically predicted isoeffective fractionation regimens.

Conclusions: The RBE-weighted absorbed dose calculated using the clinically adopted generic RBE of 1.1 significantly underestimates the biological effective dose from variable RBE, particularly in fractionation regimens with low doses per fraction. Coupled with an increase in effective range in fractionated exposures, our study provides an RBE dataset that can be used by the modeling community for the optimization of fractionated proton therapy.

Aplicações das redes de Bragg na biomecânica

O presente trabalho tem como objectivo o estudo, desenvolvimento e aplicações na área da biomecânica de sensores intrínsecos baseados em redes de Bragg em fibras ópticas (FBG). As aplicações são feitas em modelos biomecânicos in vitro tais como: implantes de anca, prótese de joelho, placas de osteossíntese e implantes dentários. A optimização do desenvolvimento de próteses e respectivos elementos de fixação é actualmente dependente da geração e validação experimental de seus modelos computacionais. A validação destes modelos é normalmente feita utilizando-se dados de ensaios não invasivos e invasivos em modelos sintéticos. Em ensaios in vitro os sensores convencionais têm um princípio de funcionamento eléctrico e apresentam por vezes dimensões inadequadas. Existem situações exploradas no presente trabalho, tais como sensoriamento de superfícies irregulares e junções ou ainda análises de deformações internas, onde é recomendável a utilização de sensores FBG, pois apresentam dimensões reduzidas e flexibilidade o que permite efectuar medidas localizadas. O desenvolvimento de um protocolo de utilização de FBG e a sua aplicação no contexto apresentado demonstrou-se mais adequado, pela precisão e segurança futura oferecidas. Foi desenvolvida uma metodologia experimental para medidas de deformações utilizando FBG ao longo de uma placa de osteossíntese metálica aparafusada a um fémur sintético fracturado. Foi efectuada a monitorização da cura do cimento ósseo utilizado como fixador do prato tibial na artroplastia total do joelho através da medida da sua contracção e temperatura. Foi também desenvolvido um sistema refrigerador com resposta às leituras de temperatura com vista a evitar a necrose do osso. Foram efectuados estudos de deformação nesse cimento após a sua cura, como resultado da aplicação de cargas mecânicas estáticas. Foram efectuados estudos da cura de cimento ósseo aplicado a próteses de anca e também de deformações nestas próteses. Foi ainda efectuado o estudo comparativo de vários implantes dentários através da medida da distribuição de deformações como resposta a excitações mecânicas impulsivas. Para a desmodulação das FBG foram inicialmente utilizados sistemas comerciais. Entretanto algumas aplicações não puderam ser implementadas com estes sistemas comerciais devido à baixa reflectividade das FBG utilizadas, mas fundamentalmente devido à necessidade de executar testes com uma taxa de aquisição maior do que os 5 Hz disponíveis (cerca de 15 kHz). Por estes motivos foi desenvolvido um sistema optoelectrónico completo de desmodulação de FBG baseado num filtro sintonizável e que tem como característica principal a alta taxa de aquisição (até 1,2 MHz) mas também se destaca pela facilidade na reconfiguração dos parâmetros de leitura, pela apresentação duma interface de utilizador amigável e pela capacidade de operar com até 5 FBG na mesma fibra óptica.

Sensores de Bragg para bioaplicações

Nas últimas décadas, os sensores de Bragg têm sido frequentemente utilizados em inúmeras aplicações, em resultado das características únicas desta tecnologia. Contudo, a comunidade científica tem feito um esforço contínuo em desenvolver sensores que respondam tanto quanto possível aos requisitos e interesses de cada aplicação em particular. As bioaplicações são um campo de crescente interesse pelos sensores de Bragg, atendendo à heterogeneidade e complexidade dos meios de análise em questão. No âmbito desta dissertação foi realizada uma análise teórica dos princípios de funcionamento das redes de Bragg, focada em redes uniformes e inclinadas. Foi também descrito o processo de produção de redes de Bragg regeneradas. Redes de Bragg uniformes foram aplicadas na caracterização da reacção de polimerização e cura de materiais dentários, nomeadamente resina para base de dentadura, cimentos e gessos. Foi feita uma análise comparativa do desempenho de diferentes tipos de cimentos e gessos. Em relação ao gesso foi ainda avaliada a influência do rácio água/pó nas propriedades do material. Devido à importância que o índice de refracção tem na detecção de substâncias, doenças e controlo de qualidade de produtos, foi desenvolvido um sensor de índice de refracção baseado numa rede de Bragg inclinada. Implementaram-se também sensores para medição simultânea de índice de refracção e deformação, índice de refracção e temperatura e índice de refracção, deformação e temperatura, todos baseados numa única rede inclinada. O último dispositivo foi validado em ambiente laboratorial. Com o propósito de desenvolver um sensor baseado em redes de Bragg para monitorização da deformação óssea, foi avaliada a biocompatibilidade da fibra óptica em cultura de células osteoblásticas, e analisada a integridade física e funcionalidade da rede de Bragg nesse meio. O interesse em aumentar a sensibilidade e alargar a gama de trabalho dos sensores conduziu ao revestimento das fibras ópticas. Atendendo ao potencial índole biológica e biomédica do trabalho, usou-se como material de recobrimento o diamante, dada a excelente resposta em termos de biocompatibilidade, resistência à corrosão, não toxicidade e afinidade para espécies químicas e biológicas. Os filmes foram obtidos por deposição química a partir da fase vapor assistida por filamento quente. Para além de amostras de fibra óptica, foram revestidas redes de Bragg uniformes e regeneradas. Os sensores revestidos com diamante foram caracterizados à deformação e à temperatura.

Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Analysis of the topography of a Bragg grating in chalcogenide glass

Relief Bragg gratings were recorded on the surface of Ga-Ge-S glass samples by interference of two UV laser beams at 351 nm, Scanning force microscopy was used to perform a 3D image analysis of the resulting surface topography, which shows the superposition of an imprinted grating over the base topography of the glass. An important question regarding the efficiency of the grating is to determine to what extent the base topography reduces the intended coherent scattering of the grating because of its stochastic character. To answer this question we separated both base and grating structures by Fourier filtering, examined both spatial frequency and roughness, and determined the correlation. (C) 2001 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.