The effect of very small air gaps on small field dosimetry

The purpose of this study was to investigate the effect of very small air gaps (less than 1 mm) on the dosimetry of small photon fields used for stereotactic treatments. Measurements were performed with optically stimulated luminescent dosimeters (OSLDs) for 6 MV photons on a Varian 21iX linear accelerator with a Brainlab μMLC attachment for square field sizes down to 6 mm × 6 mm. Monte Carlo simulations were performed using EGSnrc C++ user code cavity. It was found that the Monte Carlo model used in this study accurately simulated the OSLD measurements on the linear accelerator. For the 6 mm field size, the 0.5 mm air gap upstream to the active area of the OSLD caused a 5.3 % dose reduction relative to a Monte Carlo simulation with no air gap. A hypothetical 0.2 mm air gap caused a dose reduction > 2 %, emphasizing the fact that even the tiniest air gaps can cause a large reduction in measured dose. The negligible effect on an 18 mm field size illustrated that the electronic disequilibrium caused by such small air gaps only affects the dosimetry of the very small fields. When performing small field dosimetry, care must be taken to avoid any air gaps, as can be often present when inserting detectors into solid phantoms. It is recommended that very small field dosimetry is performed in liquid water. When using small photon fields, sub-millimetre air gaps can also affect patient dosimetry if they cannot be spatially resolved on a CT scan. However the effect on the patient is debatable as the dose reduction caused by a 1 mm air gap, starting out at 19% in the first 0.1 mm behind the air gap, decreases to < 5 % after just 2 mm, and electronic equilibrium is fully re-established after just 5 mm.

The effect of very small air gaps on small field dosimetry

The purpose of this study was to investigate the effect of very small air gaps (less than 1 mm) on the dosimetry of small photon fields used for stereotactic treatments. Measurements were performed with optically stimulated luminescent dosimeters (OSLDs) for 6 MV photons on a Varian 21iX linear accelerator with a Brainlab lMLC attachment for square field sizes down to 6 mm 9 6 mm. Monte Carlo simulations were performed using EGSnrc C++ user code cavity. It was found that the Monte Carlo model used in this study accurately simulated the OSLD measurements on the linear accelerator. For the 6 mm field size, the 0.5 mm air gap upstream to the active area of the OSLD caused a 5.3 % dose reduction relative to a Monte Carlo simulation with no air gap...

Two-dimensional Cartesian air-gap element (CAGE) for dynamic finite-element modeling of electrical machines with a flat air gap

This paper extends the air-gap element (AGE) to enable the modeling of flat air gaps. AGE is a macroelement originally proposed by Abdel-Razek et al.for modeling annular air gaps in electrical machines. The paper presents the theory of the new macroelement and explains its implementation within a time-stepped finite-element (FE) code. It validates the solution produced by the new macroelement by comparing it with that obtained by using an FE mesh with a discretized air gap. It then applies the model to determine the open-circuit electromotive force of an axial-flux permanent-magnet machine and compares the results with measurements.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Monte Carlo-based diode design for correction-less small field dosimetry

Due to their small collecting volume diodes are commonly used in small field dosimetry. However the relative sensitivity of a diode increases with decreasing small field size. Conversely, small air gaps have been shown to cause a significant decrease in the sensitivity of a detector as the field size is decreased. Therefore this study uses Monte Carlo simulations to look at introducing air upstream to diodes such that they measure with a constant sensitivity across all field sizes in small field dosimetry. Varying thicknesses of air were introduced onto the upstream end of two commercial diodes (PTW 60016 photon diode and PTW 60017 electron diode), as well as a theoretical unenclosed silicon chip using field sizes as small as 5 mm × 5 mm . The metric D_(w,Q)/D_(Det,Q) used in this study represents the ratio of the dose to a point of water to the dose to the diode active volume, for a particular field size and location. The optimal thickness of air required to provide a constant sensitivity across all small field sizes was found by plotting D_(w,Q)/D_(Det,Q) as a function of introduced air gap size for various field sizes, and finding the intersection point of these plots. That is, the point at which D_(w,Q)/D_(Det,Q) was constant for all field sizes was found. The optimal thickness of air was calculated to be 3.3 mm, 1.15 mm and 0.10 mm for the photon diode, electron diode and unenclosed silicon chip respectively. The variation in these results was due to the different design of each detector. When calculated with the new diode design incorporating the upstream air gap, k_(Q_clin 〖,Q〗_msr)^(f_clin 〖,f〗_msr ) was equal to unity to within statistical uncertainty (0.5 %) for all three diodes. Cross-axis profile measurements were also improved with the new detector design. The upstream air gap could be implanted on the commercial diodes via a cap consisting of the air cavity surrounded by water equivalent material. The results for the unclosed silicon chip show that an ideal small field dosimetry diode could be created by using a silicon chip with a small amount of air above it.

Design considerations in an indirectly coupled multilevel motor controller

Permanent magnet (PM) motors utilising ironless stator structures have been incorporated into a wide variety of applications where high efficiency and stringent torque control are required. With recent developments in magnetic materials, improved design strategies, and power outputs of up to 40kW, PM motors have become an attractive candidate for traction drives in electric and hybrid electric vehicles. However, due to their large air gaps and ironless stators these motors can have inductances as low as 2μH, imposing increased requirements on the converter to minimise current ripple. Multilevel converters with n cells can effectively increase the motor inductance by a factor of n2 and are an excellent approach to minimise the motor ripple current. Furthermore by indirectly coupling the outputs of each cell, improvements in converter input and cell ripple current can also be realised. This paper examines the issues in designing a high current indirectly coupled multilevel motor controller for an ironless BLDC traction drive and highlights the limitations of the common ladder core structure.

Design optimisation of ironless motors based on magnet selection

This paper considers the design of a radial flux permanent magnet iron less core brushless DC motor for use in an electric wheel drive with an integrated epicyclic gear reduction. The motor has been designed for a continuous output torque of 30 Nm and peak rating of 60 Nm with a maximum operating speed of 7000 RPM. In the design of brushless DC motors with a toothed iron stator the peak air-gap magnetic flux density is typically chosen to be close to that of the remanence value of the magnets used. This paper demonstrates that for an ironless motor the optimal peak air-gap flux density is closer to the maximum energy product of the magnets used. The use of a radial flux topology allows for high frequency operation and can be shown to give high specific power output while maintaining a relatively low magnet mass. Two-dimensional finite element analysis is used to predict the air-gap flux density. The motor design is based around commonly available NdFeB bar magnet size

Design optimisation of ironless motors based on magnet selection

This paper considers the design of a radial flux permanent magnet ironless core brushless DC motor for use in an electric wheel drive with an integrated epicyclic gear reduction. The motor has been designed for a continuous output torque of 30 Nm and peak rating of 60 Nm with a maximum operating speed of 7000 RPM. In the design of brushless DC motors with a toothed iron stator the peak air-gap magnetic flux density is typically chosen to be close to that of the remanence value of the magnets used. This paper demonstrates that for an ironless motor the optimal peak air-gap flux density is closer to the maximum energy product of the magnets used. The use of a radial flux topology allows for high frequency operation and can be shown to give high specific power output while maintaining a relatively low magnet mass. Two-dimensional finite element analysis is used to predict the airgap flux density. The motor design is based around commonly available NdFeB bar magnet size

Thermal characterization of microheaters from the dynamic response

Thermal characterization of surface-micromachined microheaters is carried out from their dynamic response to electrothermal excitations. An electrical equivalent circuit model is developed for the thermo-mechanical system. The mechanical parameters are extracted from the frequency response obtained using a laser Doppler vibrometer. The resonant frequencies of the microheaters are measured and compared with FEM simulations. The thermal time constants are obtained from the electrical equivalent model by fitting the model response to the measured frequency response. Microheaters with an active area of 140 µm × 140 µm have been realized on two different layers (poly-1 and poly-2) with two different air gaps (2 µm and 2.75 µm). The effective time constants, combining thermal and mechanical responses, are in the range of 0.13–0.22 ms for heaters on the poly-1 layer and 1.9 µs–0.15 ms for microheaters on the poly-2 layer. The thermal time constants of the microheaters are in the range of a few microseconds, thus making them suitable for sensor applications that need a faster thermal response.

Computer modeling of a micro-manufactured one-turn inductor

The results of a finite element computer modelling analysis of a micro-manufactured one-turn magnetic inductor using the software package ANSYS 10.0 are presented. The inductor is designed for a DC-DC converter used in microelectronic devices. It consists of a copper conductor with a rectangular cross-section plated with an insulation layer and a layer of magnetic core. The analysis has focused on the effects of the frequency and the air gaps on the on the inductance values and the Joule losses in the core and conductor. It has been found that an inductor with small multiple air gaps has lower losses than an inductor with a single larger gap

PHOTOSIGNAL ENHANCEMENT IN AL-GAAS DIODES DUE TO SURFACE-PLASMONS AND GUIDED-WAVE MODES

Light of wavelength 632.8 nm and p-polarization is incident on a prism-air gap (varied from 0.7 to 7 mum)-Al-GaAs arrangement. Both the photosignal generated by the Schottky diode and the reflectance are measured as a function of the internal angle of incidence in the prism. There is significant, well-defined enhancement of the photosignal, up to a factor of approximately 7.5, associated with two different types of enhanced absorption modes. For air gaps <1.5 mum there is photosignal enhancement due to an enhanced absorption feature (reflectance dip) that occurs at an angle of incidence just above critical angle in the prism; this feature corresponds to the excitation of a surface plasmon polariton at the Al-air interface. For air gaps > 1 mum there are between one and ten photoresponse peaks at input angles less than the critical angle. The corresponding enhanced absorption features are due to leaky guided wave modes set up in the air gap.

Simulation of the magnetic induction vector of a magnetic core to be used in FFC NMR relaxometry

This paper is a contribution for the assessment and comparison of magnet properties based on magnetic field characteristics particularly concerning the magnetic induction uniformity in the air gaps. For this aim, a solver was developed and implemented to determine the magnetic field of a magnetic core to be used in Fast Field Cycling (FFC) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry. The electromagnetic field computation is based on a 2D finite-element method (FEM) using both the scalar and the vector potential formulation. Results for the magnetic field lines and the magnetic induction vector in the air gap are presented. The target magnetic induction is 0.2 T, which is a typical requirement of the FFC NMR technique, which can be achieved with a magnetic core based on permanent magnets or coils. In addition, this application requires high magnetic induction uniformity. To achieve this goal, a solution including superconducting pieces is analyzed. Results are compared with a different FEM program.