Beam quality specification is essential in accurate characterization of radiotherapeutic beams. Amongst the many beam quality parameters that have been defined and applied, the linear energy transfer (LET) is one of the few parameters that provide an insight into the radiobiological effects of radiation. In this work, we investigated the feasibility of establishing a beam quality detector that allows for the indirect measurement of LET in the clinic. Intrinsic energy dependence was induced in an Exradin A12 ionization chamber by replacing its chamber wall with geometrically identical yet material varying walls. The energy response of these detectors was characterized by investigating the effect of varying chamber wall materials on the polarity and ion recombination correction factors. Using these detectors, measurements were performed across a wide range of beam energies (for both photons and electrons). Monte Carlo simulations were used to validate the measured data, and to obtain the mean primary electron energy of each beam. The data were used to calculate and relate the LET to the unique signals measured with the detectors under each radiation beam, which allowed us to establish a calibration curve. The calibration curve was validated by using the detectors to measure the signals produced by a radiation beam of unknown LET. The results showed that by using the calibration curve, the LET of radiation beams—with energies falling within our range—can be derived by performing a set of simple measurements. The derived LET values were found to be accurate to within a total uncertainty of nearly 10%. As a practical application to this method, the LET variations across 10 x 10 cm^2 radiation fields of 6 MV and 18 MV photons were measured. The results showed that within our uncertainty, the LET of high-energy photon beams outside of the field edges can vary to up to 20% from their central point values. The proposed method provides a new approach for a practical and efficient measurement of the LET in the clinic. / La spécification de la qualité de faisceau est essentielle pour la caractérisation de faisceau radio thérapeutique. Parmi les multiples paramètres de qualité de faisceau qui ont été défini et appliqué, le transfert d'énergie linéaire (LET) est un des seuls qui donne une indication sur les effets radiobiologique des radiations. Dans ce travail, nous avons investigué la faisabilité d'établir un detector de qualité de faisceau qui permet de mesurer indirectement le LET en clinique. La réponse d'énergie intrinsèque a été induite dans une chambre d'ionisation Extradin A12 en replaçant sa paroi par différents matériaux en gardant une géométrie identique. La réponse énergétique de ces détecteurs a été caractérisée en investiguant les effets des différents matériaux de la paroi de la chambre sur les facteurs de corrections de polarité et de recombinaison ionique. Les mesures, utilisant ces détecteurs, ont été effectuées pour un large éventail d'énergie de faisceau (de photons et d'électrons). Des simulations de Monte Carlo ont été utilise pour valider les données mesurée ainsi que pour obtenir l'énergie moyenne des électrons primaires pour chaque faisceau. Les données ont été utilisées pour calculer and établir une relation entre le LET et le signal unique mesuré avec les détecteurs pour chaque faisceau de radiation, ce qui nous a permit d'établir une courbe de calibration. Cette courbe de calibration a été validée en utilisant les détecteurs pour mesurer les signaux produit par un faisceau de radiation possédant un LET inconnu. Les résultats démontrent qu'en utilisant la courbe de calibration, le LET de faisceau de radiation – avec des énergies comprises dans notre éventail – peuvent être dérivé en performant une série de simple mesures. Les valeurs de LET ainsi obtenues sont précises avec une incertitude total d'environ 10%. Pour une application pratique de cette méthode, les variations de LET ont été mesurées sur des champs de radiation de 10 x 10 cm^2 pour 6 MV et 18 MV. Les résultats montrent que compris dans notre incertitude, le LET des faisceaux de photon à haute énergie en dehors des limites du champ peut varier jusqu'à 20% de sa valeur au point central. La méthode proposée permet une nouvelle approche pratique et efficace pour la mesure du LET en clinique.

Treatment planning standardization efforts were made for the Stereotactic Radiosurgery(SRS) program at the Jewish General Hospital, Montreal. A standardized dose objective template for SRS was made in collaboration with physicians in our clinic. A web based platform was made for radiotherapy research and data analysis. The web platform was made with considerations for ease of distribution and customizability. A plan report module was made for the web platform to automatically analyze dose statistics and generate SRS plan reports. The plan report module was well received by dosimetrists in our clinic and reduced the labour required in plan evaluation. A total of 35 approved treatment plans were imported into the web application for analysis. A quantitative metric, Quality Index (QI), was developed to measure SRS plan compliance to the standardized plan evaluation template. The results show increased average QI and decreased QI variation between pre-release and post-release of the web application. The validation of QI as a quality indicator of a treatment plan warrants further study. / Des efforts ont ete fait envers la standarisation de la planification de traitements pour le programme de radiochirurgie stereotactique (SRS) a l'Hopital General Juifde Montreal. Un modele standardise d'objectifs de dose pour la SRS a ete construit en collaboration avec les medecins clinique. Une plate-forme web a ete programme afin de faire l'analyse des donnees de recherche. Le web a ete choisis comme hote de la plate-forme en raison de la facilite de distribution et d'adaptation des applications web. Un module de redaction de rapports automatique est inclue dans la plate-forme pour effectuer une analyse statistique de la dose pour chaque plan et ensuite rediger un rapport. Le module a ete implante en clinique avec succes et une reduction marquee de la charge de travail requise pour l'evaluation des plans de traitement pour la SRS. Un total de 35 plans ont ete approuve pour l'importation dans la plateforme web pour l'analyse de donnees. Un metrique quantificatif surnomme L'index de Qualite (QI) a ete developpe pour evaluer l'adherence des plans au modele standard construit. Les resultats demontrent une hausse du QI ainsi qu'une baisse de la variance entre chaque plans suite a l'implantation de la plate-forme web. D'autres etudes doivent etre performes pour valider le QI en tant qu'indicateur de qualite de plans.

The free radical theory of the indirect action of radiation, though not completely satisfactory, has survived nearly 10 years since it was postulated by Weiss in 1944. The suggested mechanism is as follows: (1) The primary act is the ionization of a water molecule. H2O→radiation H2O++e- (2) The electron travels to a distance where it reacts with another water molecule. e-+H2O→H+OH- (3) The heavier H2O+ remains near the original site, splitting into a neutral and a charged particle. H2O+→H++OH The overall reaction can be written: H2O→radiationH+OH It is estimated that the H and OH are formed about 2 x 10 -6 cm apart. Thus with a densely ionizing particle many OH radicals are formed near each other and the H radicals appear in a cylindrical sheath of 5 x 10-6 cm mean radius. In this case the formation of hydrogen peroxide is favored. Admitting the possibility of intermediate steps, the reaction can be written: OH+OH→H2O2 With particles of lower linear ion density, it is presumed that the OH radicals are formed at a distance comparable to, or greater than the distance separating the H and OH and that then the recombination is favored H+OH→H2O For this reason no H2O2 appears in pure oxygen-free water with X- and gamma-rays at moderate dose rates. In the work to be presented here, the free radical hypothesis is neither proved nor disproved. However, as will be pointed out later, other mechanisms can be postulated to explain the experimental findings.

A study of the emission of gamma rays from excited nuclei is an important means to the identification of the nuclear levels involved. By observations of cascade versus single transitions and the relative probabilities of various modes of de-excitation of different excited levels, the character of these levels can often be derived. With such information, and with other data available from particle group observations, complete decay schemes can be built up, and in some cases unique values of the level parameters can be assigned. A comparison of these results with current nuclear models should lead to a more satisfactory theoretical treatment of the nucleus.

In electron emission holography, the sources are electron emitting atoms. The primary (unscattered) electron wave interferes with the waves scattered elastically by nearby atoms resulting in a holographic fringe pattern in the angular distribution of the emitted electrons. In cases that the neighboring atoms have non-zero spins the scattered electron wave depends on the spin of the scattering atom by virtue of exchange scattering and the holographic fringes are spin dependent. This is the basis of the holographic spin imaging technique that we propose and discuss in this thesis, and which, we believe, will become a very powerful method for determining the short range spin environment of the electron source atoms in surface magnetism studies. We show that the "vector hologram" obtained by measuring the spin of the emitted electrons, S(scR), can be inverted to give a three-dimensional image of the magnetic environment of the electron emitting source atom. Of greater practical and theoretical interest, we show that the same information can be obtained from photoelectron intensity patterns, I(scR), ("scalar" spin holography) produced with incident linearly polarized photons. This surprising result is very important since it brings spin holography well within the realms of present day experimental capabilities available at synchrotron sources. In addition, we develop the theory for the related spin dependent EXAFS experiments, and show that the SPEXAFS data can be analyzed to yield much more information than previously realized. In particular, the SPEXAFS technique can be used for the study of antiferromagnetic spin arrangements, as well as ferromagnetic ones.

Studies of Radiation-Induced Conductivity (RIC) in the Teflon film of a radiation-charged electret ionization chamber (EIC) are discussed. An EIC measures dose from the amount of electret surface charge neutralized by ions created in the chamber's sensitive volume. A semi-empirical equation is presented for the calculation of prompt time-dependent RIC as a function of air-kerma rate and electric field. Measurements showing the dependence of radiation-induced current on electrode material show a tenfold difference in current between aluminum and graphite electrodes. RIC permits charge migration through the polymer which can cause an overestimation of dose. Intermittently heating and charging the electret will cause surface charges to be deposited at deep energy levels and therefore improving electret charge retention. This study demonstrates the influence of radiation induced currents on the performance of the radiation-charged RIC.

In this work, various megavoltage imaging modalities such as the Portal Vision aS-500 Amorphous Silicon EPID, Portal Vision LC-250 Liquid Matrix EPID, PortPro Flouro based EPID, Kodak XV film, Kodak EDR film, and SmartCR Computer Radiography system are examined in terms of detector parameters (acquisition time, minimum dose to obtain an image, saturation dose, and grey scale) and image quality parameters (subject contrast, signal-to-noise ratio, spatial resolution, modulation transfer function, and gantry angle dependence). We found that aS-500 EPID provides better image quality as compared to the other modalities investigated in terms of quantitative parameters. Qualitatively, it also outperformed the other systems, although the differences in image quality between the systems were sometimes marginal. The fast acquisition time and the requirement of only 1 MU to generate an image also made aS-500 EPID the most appropriate imager for static IMRT dose verification. The isodose comparison between the aS-500 EPID and Kodak XV film for several IMRT QA studies corresponded within acceptable tolerance levels of +/-2 mm in most cases.

The aim of this project is to quantify the energy response of the existing EBT-2 model GAFCHROMICTM film and investigate for the eventual possible chemical compositions with improved energy response. In this work, the overall energy dependence of the EBT-2 model GAFCHROMICTM film is quantized through intrinsic and absorbed dose energy response. Absorbed dose energy response is studied by calculating dose to film sensitive layer and dose to water using DOSRZnrc of EGSnrcMP Monte Carlo user-code. The film was simulated inside a large body of solid water for megavoltage beams, while at kilovoltage energies the film was modeled in air. The simulations were repeated to score the dose to water for megavoltage and air kerma for kilo-voltage beams, respectively. The intrinsic energy response is quantified through a measurement of total energy response divided by the Monte Carlo calculated absorbed dose energy response. The measurements consisted of delivering an exact dose of 2 Gy to the sensitive layer of the film at orthovoltage energies (50 kVp, 120 kVp, and 180 kVp), 192Ir and 60Co beam. AAPM TG-51 and TG-61 reports were used to determine the dose-to-water and air-kerma in air in megavoltage and orthovoltage beams, respectively, while Monte Carlo simulated corrections were used to convert these results to the desired dose to the sensitive layer of the film. For EBT-2 model GAFCHROMICTM film, the overall energy dependence was found to vary by 39 % in the effective energy range from 24 keV to 1.25 MeV (for 60Co beam). It was determined that intrinsic (LET-dependent) energy dependence also plays an important role in the total energy dependence of EBT-2 model GAFCHROMICTM film and cannot be ignored.The absorbed dose energy dependence was also studied for a wide variety of film active layer compositions in a 10 keV-100 keV energy range as well as at 60Co using Monte Carlo simulations. The composition of the film active layer was varied according to physical limits set by the manufacturer. High atomic number elements (chlorine and bromine) were found to affect absorbed dose response drastically. Addition of bromine was found to affect film's response in the 40-50 keV region, while chlorine affected the entire region below 100 keV. Through numerical optimization of the composition of the active layer, it was thus possible to reduce the absorbed dose energy dependence and suggest new compositions with absorbed dose energy dependence variation of 4 % in the effective energy range of 28 keV to 1.25 MeV (for 60Co beam) / L'objectif de ce projet est de quantifier la réponse énergétique du film EBT-2 GAFCHROMICTM et d'enquêter sur les compositions chimiques possibles permettant une amélioration de sa réponse énergétique. Dans cette étude, la dépendance énergétique globale du film EBT-2 GAFCHROMICTM est quantifiée en terme de réponse énergétique intrinsèque et de dose absorbée. La réponse énergétique du film en terme de dose absorbée est étudiée par le calcul de la dose à la couche sensible du film et la dose équivalente dans l'eau en utilisant les algorithmes de calcul Monte Carlo DOSRZnrc et EGSnrcMP. Le film a été simulé à l'intérieur d'une grande masse d'eau solide lorsqu'irradié par des faisceaux de haute énergie (mégavoltage) et dans l'air lorsqu'irradié par des faisceaux de basse énergie (kilovoltage). Les simulations ont été répétées plusieurs fois afin de déterminer la dose équivalente dans l'eau pour les faisceaux mégavoltage (MV) et le kerma dans l'air pour les faisceaux kilovoltage (kV). La réponse énergétique intrinsèque est quantifiée par la mesure expérimentale de la réponse énergétique totale divisée par la dose absorbée calculée par simulations Monte Carlo. Les mesures expérimentales consistaient à délivrer une dose exacte de 2 Gy à la couche sensible du film pour des faisceaux à des énergies orthovoltage (50 kVp, 120 kVp et 180 kVp), un faisceau192Ir et un faisceau60Co. Les rapports TG-51 et TG-61 de l'AAPM ont été utilisés afin de déterminer la dose à une petite masse d'eau dans l'air et le kerma d'une petite masse d'air dans l'air pour des faisceaux à énergies mégavoltage et orthovoltage, respectivement. De plus, des facteurs de correction calculés par simulations Monte Carlo ont été utilisés afin de convertir ces résultats à la dose voulue à la couche sensible du film. Pour le film EBT-2 GAFCHROMICTM, la dépendance énergétique globale révèle une variation de 39% à l'intérieur de la gamme d'énergie effective de 24 keV à 1.25 MeV (faisceau60Co). Il a été déterminé qu'une dépendance énergétique intrinsèque (LET-dépendant) joue également un rôle important dans la dépendance énergétique totale du film EBT-2 GAFCHROMICTM et ne peut être ignorée. La dépendance énergétique du film en terme de dose absorbée a également été étudiée pour une grande variété de compositions différentes de la couche active du film, et ce en utilisant les simulations Monte Carlo pour une gamme d'énergie de faisceaux de 10 keV-100 keV ainsi que pour un faisceau de 60Co. La composition de la couche active du film a été variée en fonction des limites physiques fixées par le fabricant. Il a été déterminé que des éléments ayant de hauts numéros atomiques (chlore et brome) influence drastiquement la réponse énergétique en terme de dose absorbée. En fait, il a été déterminé que l'addition de brome affecte la réponse énergétique du film pour la gamme d'énergie allant de 40-50 keV, tandis que le chlore affecte les énergies au-dessous de 100 keV. Grâce à l'optimisation numérique de la composition de la couche active, il a été ainsi possible de réduire la dépendance énergétique du film en terme de dose absorbée et aussi de suggérer de nouvelles compositions possédant une variation de la dépendance énergétique du film en terme de dose absorbée de 4% dans la gamme d'énergie effective de 28 keV à 1,25 MeV (faisceau de 60Co).

Intensity modulated proton therapy (IMPT) is believed to improve the therapeutic ratio by reducing the dose to normal tissue as compared to three dimensional conformal (photon) radiotherapy (3D-CRT). This hypothesis is investigated in this work by predicting the risks of late radiation-induced effects for young patients receiving radiotherapy for Hodgkin's and non-Hodgkin's lymphoma (HL and NHL) or breast cancer (BC) using radiobiological modeling. The late effects considered were cardiac mortality and secondary cancer in the lungs and breasts (for female patients).Patient data was acquired for twenty-eight patients who were under thirty years of age and were treated with radiotherapy for HL, NHL, or BC in Quebec in 2010. The original computed tomography simulation images were used to re-plan the patients with IMPT using Eclipse treatment planning software (version 10, Varian Medical Systems, Palo Alto, CA). The dose-volume data of the original photon plans and the new proton plans were analyzed using the relative seriality model to assess the risks of late effects. The relative seriality model was utilized to predict excess risk of cardiac mortality. The Schneider1 modified linear quadratic model was used to predict the excess absolute risk for induction of lung cancer and breast cancer. Parameters for each model were derived from retrospective studies in the literature.Dosimetric plan comparison revealed IMPT reduced dose to the organs at risk of interest as compared to 3D-CRT. Overall the excess risk of cardiac mortality and the excess absolute risks for lung and breast cancers were reduced for IMPT as compared to 3D-CRT. / La radiothérapie par modulation d'intensité de protons (IMPT) améliore le ratio thérapeutique en réduisant la dose délivrée aux tissus sains, par rapport à la radiothérapie conformationelle trois dimensions par photons (3D-CRT). L'objectif de cet étude est de confirmer cette hypothèse dans ces deux modalités de traitement par une comparaison de de risque prédictible d'effets secondaires à long terme dû aux rayonnements ionisants pour des jeunes patients traités par radiothérapie pour des lymphomes Hodgkiniens et non-Hodgkiniens (HL et NHL) ou pour un cancer du sein (BC) à l'aide des modèles radiobiologiques. Les effets secondaire à long terme étudiés sont la mortalité cardiaque et les cancers secondaires du poumon ou du sein (pour les patientes).Les données de vingt-huit patients de moins de trente ans ayant été traités par radiothérapie pour HL, NHL, ou BC au Québec en 2010 ont été collectées. Les images original de tomodensitomètres ont été utilisées pour re-plannifier les patients avec l'IMPT à l'aide du logiciel de planification de traitement Eclipse (version 10, Varian Medical Systems, Palo Alto, CA). Les données des histogrammes dose-volume du plan original en photon ainsi que la replanification en proton ont été analysées pour évaluer les risques d'effet secondaires à long terme. Le modèle de sérialité relative1, a été utilisé pour prédire le risque excessif de mortalité cardiaque. Le model linéaire quadratique modifié de Schneider2 a été utilisé afin de prédire l'excès absolu de risque de cancer du poumon et du sein. Les paramètres de chaque modèles ont été dérivés d'études rétrospectives tirées de la littérature.La comparaison dosimétrique des plans a démontré que l'IMPT réduit la dose délivrée aux organes à risque par rapport à la 3D-CRT. En général, le risque excessif de mortalité cardiaque et l'excès absolu de risque de cancer du poumon et du sein sont réduits avec l'IMPT par rapport à la 3D-CRT.

In this work, the feasibility of absolute dose to water measurements using a small scale graphite probe calorimeter (GPC) in a clinical environment is established. A numerical design optimization study was conducted by simulating the heat transfer in the GPC resulting from irradiation using a finite element method software package. The choice of device shape, dimensions and materials was made to minimize the heat loss in the sensitive volume of the GPC. The resulting design, which incorporates a novel aerogel-based thermal insulator, was built in-house. Absorbed dose to water measurements were made under standard conditions in a 6 MV 1000 MU/min photon beam and subsequently compared against TG-51 derived values. The average measured dose to water was 95.7 ± 1.4 cGy/100 MU, as compared to an expected value of 96.6 cGy/100 MU. The Monte Carlo-calculated graphite to water dose conversion factor was 1.099, while the derived heat loss correction factors varied between 1.005 and 1.013. The most significant sources of uncertainty were the repeatability (type A, 1.4%) and thermistor calibration (type B, 2.1%). The contribution of these factors to the overall uncertainty is expected to decrease significantly upon the implementation of active thermal stabilization provided by a temperature controller and direct electrical calibration, respectively. This proof of concept demonstrates the feasibility of using the GPC as a practical clinical absolute photon dosimeter and lays the foundation for a miniaturized version suitable for small and composite field dosimetry. / Dans ce travail, la faisabilité de la mesure de dose d'eau absolue à l'aide d'un calorimètre à petite gamme de graphite sonde (GPC) dans un environnement clinique est établi. Une étude de conception d'optimisation numérique a été réalisée en simulant le transfert de chaleur résultant de l'irradiation dans le GPC avec un logiciel d'analyse par éléments finis. Le choix de la forme, des dimensions et des matériaux a été fait pour minimiser la perte de chaleur dans le volume sensible du GPC. La conception résultante, qui intègre un isolant thermique basé sur l'aérogel, a été construite en interne. Des mesures de dose absorbée dans l'eau ont été faites dans des conditions référence dans un 6 MV 1000 MU / min faisceau de photons et ont été comparé à des valeurs dérivées avec TG-51. Le taux de dose moyenne mesurée dans l'eau était 95,7 ± 1,4 cGy/100 MU, comparé à une valeur attendue de 96,6 cGy/100 MU. Le facteur de conversion de dose en graphite à dose dans l'eau calculée avec le Monte Carlo était 1.099, tandis que les corrections pour la perte de chaleur varient entre 1,005 et 1,013. Les sources les plus importantes d'incertitude ont été la répétabilité (type A, 1,4%) et le calibrage de thermistance (de type B, 2,1%). La contribution de ces facteurs à l'incertitude globale devrait diminuer de façon significative à la mise en œuvre de la stabilisation thermique active fournie par un régulateur de température et de calibrage électrique directe, respectivement. Cette preuve de concept démontre la faisabilité de l'utilisation du GPC comme un dosimètre absolu de photon pratique en clinique et forme la base d'une version miniaturisée adaptée pour la dosimétrie de petit champ.