Radiation-induced defects in calcium fluoride and their influence on material properties under 193 nm laser irradiation

Calcium fluoride (CaF2) is one of the key lens materials in deep-ultraviolet microlithography because of its transparency at 193 nm and its nearly perfect optical isotropy. Its physical and chemical properties make it applicable for lens fabrication. The key feature of CaF2 is its extreme laser stability. rnAfter exposing CaF2 to 193 nm laser irradiation at high fluences, a loss in optical performance is observed, which is related to radiation-induced defect structures in the material. The initial rapid damage process is well understood as the formation of radiation-induced point defects, however, after a long irradiation time of up to 2 months, permanent damage of the crystals is observed. Based on experimental results, these permanent radiation-induced defect structures are identified as metallic Ca colloids.rnThe properties of point defects in CaF2 and their stabilization in the crystal bulk are calculated with density functional theory (DFT). Because the stabilization of the point defects and the formation of metallic Ca colloids are diffusion-driven processes, the diffusion coefficients for the vacancy (F center) and the interstitial (H center) in CaF2 are determined with the nudged elastic band method. The optical properties of Ca colloids in CaF2 are obtained from Mie-theory, and their formation energy is determined.rnBased on experimental observations and the theoretical description of radiation-induced point defects and defect structures, a diffusion-based model for laser-induced material damage in CaF2 is proposed, which also includes a mechanism for annealing of laser damage. rn

THE NATURAL BACKGROUND GAMMA RADIATION EXPOSURE IN THE METROPOLITAN AREA OF THE VALLEY OF MEXICO

Measurements of the natural background radiation have been made at numerous places throughout the world. Very little work in this field has been done in developing countries. In Mexico the natural radiation to which the population is exposed has not been assessed. This dissertation represents a pioneer study in this environmental area. The radiation exposure which occupants within buildings receive as a result of naturally occurring radionuclides present in construction materials is the principal focus.^ Data were collected between August 1979 and November 1980. Continuous monitoring was done with TLDs placed on site for periods of 3 to 6 months. The instrumentation used for "real-time" measurements was a portable NaI (Tl) scintillation detector. In addition, radiometric measurements were performed on construction materials commonly used in Mexican homes.^ Based on TLD readings taken within 75 dwellings, the typical indoor exposure for a resident of the study area is 9.2 (mu)Rh('-1). The average reading of the 152 indoor scintillometer surveys was 9.5 (mu)Rh('-1), the outdoor reading 7.5 (mu)Rh('-1). Results of one-way and multi-way analyses of the exposure data to determine the effect due to building materials type, geologic subsoil, age of dwelling, and elevation are also presented. The results of 152 indoor scintillometer surveys are described. ^

A LAPLACE TRANSFORM PAIR MODEL TO DETERMINE BREMSSTRAHLUNG SPECTRA FROM ATTENUATION DATA (RADIATION, X-RAY, SPECTRAL MODELING)

Every x-ray attenuation curve inherently contains all the information necessary to extract the complete energy spectrum of a beam. To date, attempts to obtain accurate spectral information from attenuation data have been inadequate.^ This investigation presents a mathematical pair model, grounded in physical reality by the Laplace Transformation, to describe the attenuation of a photon beam and the corresponding bremsstrahlung spectral distribution. In addition the Laplace model has been mathematically extended to include characteristic radiation in a physically meaningful way. A method to determine the fraction of characteristic radiation in any diagnostic x-ray beam was introduced for use with the extended model.^ This work has examined the reconstructive capability of the Laplace pair model for a photon beam range of from 50 kVp to 25 MV, using both theoretical and experimental methods.^ In the diagnostic region, excellent agreement between a wide variety of experimental spectra and those reconstructed with the Laplace model was obtained when the atomic composition of the attenuators was accurately known. The model successfully reproduced a 2 MV spectrum but demonstrated difficulty in accurately reconstructing orthovoltage and 6 MV spectra. The 25 MV spectrum was successfully reconstructed although poor agreement with the spectrum obtained by Levy was found.^ The analysis of errors, performed with diagnostic energy data, demonstrated the relative insensitivity of the model to typical experimental errors and confirmed that the model can be successfully used to theoretically derive accurate spectral information from experimental attenuation data. ^

Reduction of setup uncertainties and tumor motion in the radiation therapy of lung tumors

Because the goal of radiation therapy is to deliver a lethal dose to the tumor, accurate information on the location of the tumor needs to be known. Margins are placed around the tumor to account for variations in the daily position of the tumor. If tumor motion and patient setup uncertainties can be reduced, margins that account for such uncertainties in tumor location in can be reduced allowing dose escalation, which in turn could potentially improve survival rates. ^ In the first part of this study, we monitor the location of fiducials implanted in the periphery of lung tumors to determine the extent of non-gated and gated fiducial motion, and to quantify patient setup uncertainties. In the second part we determine where the tumor is when different methods of image-guided patient setup and respiratory gating are employed. In the final part we develop, validate, and implement a technique in which patient setup uncertainties are reduced by aligning patients based upon fiducial locations in projection images. ^ Results from the first part indicate that respiratory gating reduces fiducial motion relative to motion during normal respiration and setup uncertainties when the patients were aligned each day using externally placed skin marks are large. The results from the second part indicate that current margins that account for setup uncertainty and tumor motion result in less than 2% of the tumor outside of the planning target volume (PTV) when the patient is aligned using skin marks. In addition, we found that if respiratory gating is going to be used, it is most effective if used in conjunction with image-guided patient setup. From the third part, we successfully developed, validated, and implemented on a patient a technique for aligning a moving target prior to treatment to reduce the uncertainties in tumor location. ^ In conclusion, setup uncertainties and tumor motion are a significant problem when treating tumors located within the thoracic region. Image-guided patient setup in conjunction with treatment delivery using respiratory gating reduces these uncertainties in tumor locations. In doing so, margins around the tumor used to generate the PTV can be reduced, which may allow for dose escalation to the tumor. ^

Electron intensity modulation for mixed-beam radiation therapy with an x-ray multi-leaf collimator

The current standard treatment for head and neck cancer at our institution uses intensity-modulated x-ray therapy (IMRT), which improves target coverage and sparing of critical structures by delivering complex fluence patterns from a variety of beam directions to conform dose distributions to the shape of the target volume. The standard treatment for breast patients is field-in-field forward-planned IMRT, with initial tangential fields and additional reduced-weight tangents with blocking to minimize hot spots. For these treatment sites, the addition of electrons has the potential of improving target coverage and sparing of critical structures due to rapid dose falloff with depth and reduced exit dose. In this work, the use of mixed-beam therapy (MBT), i.e., combined intensity-modulated electron and x-ray beams using the x-ray multi-leaf collimator (MLC), was explored. The hypothesis of this study was that addition of intensity-modulated electron beams to existing clinical IMRT plans would produce MBT plans that were superior to the original IMRT plans for at least 50% of selected head and neck and 50% of breast cases. Dose calculations for electron beams collimated by the MLC were performed with Monte Carlo methods. An automation system was created to facilitate communication between the dose calculation engine and the treatment planning system. Energy and intensity modulation of the electron beams was accomplished by dividing the electron beams into 2x2-cm2 beamlets, which were then beam-weight optimized along with intensity-modulated x-ray beams. Treatment plans were optimized to obtain equivalent target dose coverage, and then compared with the original treatment plans. MBT treatment plans were evaluated by participating physicians with respect to target coverage, normal structure dose, and overall plan quality in comparison with original clinical plans. The physician evaluations did not support the hypothesis for either site, with MBT selected as superior in 1 out of the 15 head and neck cases (p=1) and 6 out of 18 breast cases (p=0.95). While MBT was not shown to be superior to IMRT, reductions were observed in doses to critical structures distal to the target along the electron beam direction and to non-target tissues, at the expense of target coverage and dose homogeneity. ^

Radiation measurements and the spectrum /

"From the Medical Division, Oak Ridge Institute of Nuclear Studies, Oak Ridge, Tennessee, under contract with the United States Atomic Energy Commission, and from the Medical School, Shinshu University, Matsumotoshi, Japan."--Page 1.

Health physics insurance seminar /

"Report on Health Physics Seminar for Insurance Company Representatives held Feb. 6-10, 1950"--Title page verso.

Effect of technical parameters on dose and image quality in a computed radiography system

The discovery of X-rays was undoubtedly one of the greatest stimulus for improving the efficiency in the provision of healthcare services. The ability to view, non-invasively, inside the human body has greatly facilitated the work of professionals in diagnosis of diseases. The exclusive focus on image quality (IQ), without understanding how they are obtained, affect negatively the efficiency in diagnostic radiology. The equilibrium between the benefits and the risks are often forgotten. It is necessary to adopt optimization strategies to maximize the benefits (image quality) and minimize risk (dose to the patient) in radiological facilities. In radiology, the implementation of optimization strategies involves an understanding of images acquisition process. When a radiographer adopts a certain value of a parameter (tube potential [kVp], tube current-exposure time product [mAs] or additional filtration), it is essential to know its meaning and impact of their variation in dose and image quality. Without this, any optimization strategy will be a failure. Worldwide, data show that use of x-rays has been increasingly frequent. In Cabo Verde, we note an effort by healthcare institutions (e.g. Ministry of Health) in equipping radiological facilities and the recent installation of a telemedicine system requires purchase of new radiological equipment. In addition, the transition from screen-films to digital systems is characterized by a raise in patient exposure. Given that this transition is slower in less developed countries, as is the case of Cabo Verde, the need to adopt optimization strategies becomes increasingly necessary. This study was conducted as an attempt to answer that need. Although this work is about objective evaluation of image quality, and in medical practice the evaluation is usually subjective (visual evaluation of images by radiographer / radiologist), studies reported a correlation between these two types of evaluation (objective and subjective) [5-7] which accredits for conducting such studies. The purpose of this study is to evaluate the effect of exposure parameters (kVp and mAs) when using additional Cooper (Cu) filtration in dose and image quality in a Computed Radiography system.

Étude des facteurs de perturbation de chambres d’ionisation sous conditions non standard

Durant la dernière décennie, les développements technologiques en radiothérapie ont transformé considérablement les techniques de traitement. Les nouveaux faisceaux non standard améliorent la conformité de la dose aux volumes cibles, mais également complexifient les procédures dosimétriques. Puisque des études récentes ont démontré l’invalidité de ces protocoles actuels avec les faisceaux non standard, un nouveau protocole applicable à la dosimétrie de référence de ces faisceaux est en préparation par l’IAEA-AAPM. Le but premier de cette étude est de caractériser les facteurs responsables des corrections non unitaires en dosimétrie des faisceaux non standard, et ainsi fournir des solutions conceptuelles afin de minimiser l’ordre de grandeur des corrections proposées dans le nouveau formalisme de l’IAEA-AAPM. Le deuxième but de l’étude est de construire des méthodes servant à estimer les incertitudes d’une manière exacte en dosimétrie non standard, et d’évaluer les niveaux d’incertitudes réalistes pouvant être obtenus dans des situations cliniques. Les résultats de l’étude démontrent que de rapporter la dose au volume sensible de la chambre remplie d’eau réduit la correction d’environ la moitié sous de hauts gradients de dose. Une relation théorique entre le facteur de correction de champs non standard idéaux et le facteur de gradient du champ de référence est obtenue. En dosimétrie par film radiochromique, des niveaux d’incertitude de l’ordre de 0.3% sont obtenus par l’application d’une procédure stricte, ce qui démontre un intérêt potentiel pour les mesures de faisceaux non standard. Les résultats suggèrent également que les incertitudes expérimentales des faisceaux non standard doivent être considérées sérieusement, que ce soit durant les procédures quotidiennes de vérification ou durant les procédures de calibration. De plus, ces incertitudes pourraient être un facteur limitatif dans la nouvelle génération de protocoles.

Étude des artefacts en tomodensitométrie par simulation Monte Carlo

En radiothérapie, la tomodensitométrie (CT) fournit l’information anatomique du patient utile au calcul de dose durant la planification de traitement. Afin de considérer la composition hétérogène des tissus, des techniques de calcul telles que la méthode Monte Carlo sont nécessaires pour calculer la dose de manière exacte. L’importation des images CT dans un tel calcul exige que chaque voxel exprimé en unité Hounsfield (HU) soit converti en une valeur physique telle que la densité électronique (ED). Cette conversion est habituellement effectuée à l’aide d’une courbe d’étalonnage HU-ED. Une anomalie ou artefact qui apparaît dans une image CT avant l’étalonnage est susceptible d’assigner un mauvais tissu à un voxel. Ces erreurs peuvent causer une perte cruciale de fiabilité du calcul de dose. Ce travail vise à attribuer une valeur exacte aux voxels d’images CT afin d’assurer la fiabilité des calculs de dose durant la planification de traitement en radiothérapie. Pour y parvenir, une étude est réalisée sur les artefacts qui sont reproduits par simulation Monte Carlo. Pour réduire le temps de calcul, les simulations sont parallélisées et transposées sur un superordinateur. Une étude de sensibilité des nombres HU en présence d’artefacts est ensuite réalisée par une analyse statistique des histogrammes. À l’origine de nombreux artefacts, le durcissement de faisceau est étudié davantage. Une revue sur l’état de l’art en matière de correction du durcissement de faisceau est présentée suivi d’une démonstration explicite d’une correction empirique.

Implantation et validation d’un modèle Monte Carlo du Cyberknife dans un outil de calcul de dose clinique

Le travail de modélisation a été réalisé à travers EGSnrc, un logiciel développé par le Conseil National de Recherche Canada.

Développement d'un nouveau critère pour déterminer les limites d'utilisation des détecteurs en dosimétrie non standard

Depuis quelques années, il y a un intérêt de la communauté en dosimétrie d'actualiser les protocoles de dosimétrie des faisceaux larges tels que le TG-51 (AAPM) et le TRS-398 (IAEA) aux champs non standard qui requièrent un facteur de correction additionnel. Or, ces facteurs de correction sont difficiles à déterminer précisément dans un temps acceptable. Pour les petits champs, ces facteurs augmentent rapidement avec la taille de champ tandis que pour les champs d'IMRT, les incertitudes de positionnement du détecteur rendent une correction cas par cas impraticable. Dans cette étude, un critère théorique basé sur la fonction de réponse dosimétrique des détecteurs est développé pour déterminer dans quelles situations les dosimètres peuvent être utilisés sans correction. Les réponses de quatre chambres à ionisation, d'une chambre liquide, d'un détecteur au diamant, d'une diode, d'un détecteur à l'alanine et d'un détecteur à scintillation sont caractérisées à 6 MV et 25 MV. Plusieurs stratégies sont également suggérées pour diminuer/éliminer les facteurs de correction telles que de rapporter la dose absorbée à un volume et de modifier les matériaux non sensibles du détecteur pour pallier l'effet de densité massique. Une nouvelle méthode de compensation de la densité basée sur une fonction de perturbation est présentée. Finalement, les résultats démontrent que le détecteur à scintillation peut mesurer les champs non standard utilisés en clinique avec une correction inférieure à 1%.

Méthodes de génération et de validation de champs de déformation pour la recombinaison de distribution de dose à l’aide d’images 4DCT dans le cadre d’une planification de traitement de cancers pulmonaires

Des efforts de recherche considérables ont été déployés afin d'améliorer les résultats de traitement de cancers pulmonaires. L'étude de la déformation de l'anatomie du patient causée par la ventilation pulmonaire est au coeur du processus de planification de traitement radio-oncologique. À l'aide d'images de tomodensitométrie quadridimensionnelles (4DCT), une simulation dosimétrique peut être calculée sur les 10 ensembles d'images du 4DCT. Une méthode doit être employée afin de recombiner la dose de radiation calculée sur les 10 anatomies représentant une phase du cycle respiratoire. L'utilisation de recalage déformable d'images (DIR), une méthode de traitement d'images numériques, génère neuf champs vectoriels de déformation permettant de rapporter neuf ensembles d'images sur un ensemble de référence correspondant habituellement à la phase d'expiration profonde du cycle respiratoire. L'objectif de ce projet est d'établir une méthode de génération de champs de déformation à l'aide de la DIR conjointement à une méthode de validation de leur précision. Pour y parvenir, une méthode de segmentation automatique basée sur la déformation surfacique de surface à été créée. Cet algorithme permet d'obtenir un champ de déformation surfacique qui décrit le mouvement de l'enveloppe pulmonaire. Une interpolation volumétrique est ensuite appliquée dans le volume pulmonaire afin d'approximer la déformation interne des poumons. Finalement, une représentation en graphe de la vascularisation interne du poumon a été développée afin de permettre la validation du champ de déformation. Chez 15 patients, une erreur de recouvrement volumique de 7.6 ± 2.5[%] / 6.8 ± 2.1[%] et une différence relative des volumes de 6.8 ± 2.4 [%] / 5.9 ± 1.9 [%] ont été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Une distance symétrique moyenne 0.8 ± 0.2 [mm] / 0.8 ± 0.2 [mm], une distance symétrique moyenne quadratique de 1.2 ± 0.2 [mm] / 1.3 ± 0.3 [mm] et une distance symétrique maximale 7.7 ± 2.4 [mm] / 10.2 ± 5.2 [mm] ont aussi été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Finalement, 320 ± 51 bifurcations ont été détectées dans le poumons droit d'un patient, soit 92 ± 10 et 228 ± 45 bifurcations dans la portion supérieure et inférieure respectivement. Nous avons été en mesure d'obtenir des champs de déformation nécessaires pour la recombinaison de dose lors de la planification de traitement radio-oncologique à l'aide de la méthode de déformation hiérarchique des surfaces. Nous avons été en mesure de détecter les bifurcations de la vascularisation pour la validation de ces champs de déformation.

Segmentation du rein fonctionnel à partir de CTdouble énergie injectés

Les néphropaties (maladie des tissus rénaux) postradiques constituent l'un des facteurs limitants pour l'élaboration des plans de traitement lors des radiothérapies abdominales. Le processus actuel, qui consiste à évaluer la fonctionnalité relative des reins grâce à une scintigraphie gamma deux dimensions, ne permet pas d'identifier les portions fonctionnelles qui pourraient être évitées lors de l' élaboration des plans de traitement. Une méthode permettant de cartographier la fonctionnalité rénale en trois dimensions et d'extraire un contour fonctionnel utilisable lors de la planification a été développée à partir de CT double énergie injectés à l'iode. La concentration en produit de contraste est considérée reliée à la fonctionnalité rénale. La technique utilisée repose sur la décomposition à trois matériaux permettant de reconstruire des images en concentration d'iode. Un algorithme de segmentation semi-automatisé basé sur la déformation hiérarchique et anamorphique de surfaces permet ensuite d'extraire le contour fonctionnel des reins. Les premiers résultats obtenus avec des images patient démontrent qu'une utilisation en clinique est envisageable et pourra être bénéfique.