Accurate dosimetry is a fundamental requirement for the safe and efficient use of radiation in medical applications. International Codes of Practice, such as IAEA TRS-398 (2000) for radiotherapy beams and IAEA TRS-457 (2007) for diagnostic radiology beams, provide the necessary formulation for reference and relative dosimetry and the data required for their implementation. Research in recent years has highlighted the shortage of such data for radiotherapy small photon beams and for surface dose estimations in diagnostic and interventional radiology, leading to significant dosimetric errors that in some instances have jeopardized patient’s safety and treatment efficiency. The aim of this thesis is to investigate and determine key data for the reference and relative dosimetry of radiotherapy and radiodiagnostics beams. For that purpose the Monte Carlo system PENELOPE has been used to simulate the transport of radiation in different media and a number of experimental determinations have also been made. A review of the key data for radiotherapy beams published after the release of IAEA TRS-398 was conducted, and in some cases the considerable differences found were questioned under the criterion of data consistency throughout the dosimetry chain (from standards laboratories to the user). A modified concept of output factor, defined in a new international formalism for the dosimetry of small photon beams, requires corrections to dosimeter readings for the dose determination in small beams used clinically. In this work, output correction factors were determined, for Varian Clinac 6 MV photon beams and Leksell Gamma Knife Perfexion 60Co gamma-ray beams, for a large number of small field detectors, including air and liquid ionization chambers, shielded and unshielded silicon diodes and diamond detectors, all of which were simulated by Monte Carlo with great detail. Backscatter factors and ratios of mass energy-absorption coefficients required for surface (skin) determinations in diagnostic and interventional radiology applications were also determined, as well as their extension to account for non-standard phantom thicknesses and materials. A database of these quantities was created for a broad range of monoenergetic photon beams and computer codes developed to convolve the data with clinical spectra, thus enabling the determination of key data for arbitrary beam qualities. Data presented in this thesis has been contributed to the IAEA international dosimetry recommendations for small radiotherapy beams and for diagnostic radiology in paediatric patients. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 6: Manuscript.</p>

La radiothérapie guidée par résonance magnétique promet une administration de dose plus précise que les techniques conventionnelles puisqu’elle permet une visualisation en temps réel des structures internes avant et pendant le traitement. Cependant, la dosimétrie doit être réalisée en présence de champs magnétiques. Alors que le champ magnétique n’affecte pas le transport des particules neutres, il affecte le transport des particules chargées secondaires en raison de la force de Lorentz, qui modifie le champ de rayonnement et la réponse de dose du détecteur. Cette thèse vise à comprendre l’effet du champ magnétique sur la réponse de dose du détecteur, à la caractériser et à fournir des facteurs de correction de qualité prenant en compte l’impact du champ magnétique. Dans le premier article, quatre chambres d’ionisation à petite cavité ont été caractérisées via des simulations de Monte Carlo et des mesures expérimentales. Il a été constaté que le champ magnétique accentuait tous les détails géométriques. Une description précise du volume sensible effectif est cruciale dans les simulations. De plus, la géométrie modélisée doit être aussi proche que possible de la géométrie réelle, y compris les couches d’air internes. Des facteurs de correction de qualité tenant compte du champ magnétique et de son incertitude du budget d’incertitude sont présentés pour différentes configurations. Le deuxième article a évalué l’effet du champ magnétique sur les facteurs de perturbation de cinq détecteurs à petite cavité, dont trois détecteurs à petite cavité et deux détecteurs à semi-conducteurs. Les facteurs de perturbation des composants structurels, les facteurs de moyenne de densité et de volume ont été déterminés pour différentes tailles de champ et orientations. De plus, des facteurs de correction de qualité ont été calculés dans les mêmes conditions. Les résultats montrent que le champ magnétique a un impact significatif sur le facteur de perturbation de la densité dans les chambres d’ionisation. En revanche, son impact est plus prononcé dans les composants structurels des détecteurs semi-conducteurs. L’objectif du troisième article était de fournir plus d’informations sur la compréhension de la relation dose-réponse des détecteurs dans les champs magnétiques via des calculs de spectres de fluence électronique. La fluence des électrons différentiel en énergie dans la cavité du détecteur peut être fortement modifiée dans les champs magnétiques, et les perturbations de fluence sont généralement plus évidentes pour les électrons de faible énergie. Ces calculs ont montré l’interaction entre plusieurs facteurs qui rendent les effets de perturbation imprévisibles dans le faisceau de photons couplé aux champs magnétiques : 1) orientation du détecteur et du champ magnétique, 2) taille et forme de la cavité, 3) composants structurels, 4) couche d’air entre le détecteur et le milieu et leur asymétrie, et 5) l’énergie. / Magnetic resonance-guided radiation therapy promises more accurate dose delivery than conventional techniques by allowing real-time visualization of internal structures before and during treatment. However, the dosimetry must be performed in the presence of magnetic fields. While the magnetic field does not affect the transport of uncharged particles, it affects the transport of secondary charged particles due to the Lorentz force, which modifies the radiation field and the detector dose-response. This thesis aims to understand the effect of the magnetic field on detector dose-response, characterize it, and provide quality correction factors accounting for the impact of the magnetic field. In the first article, four small-cavity ionization chambers were characterized via Monte Carlo simulations and experimental measurements. It was found that the magnetic field emphasized all the geometrical details. An accurate description of the effective sensitive volume is crucial in the simulations. Also, the modelled geometry must be as close as possible to the actual geometry, including the internal air layers. Quality correction factors accounting for the magnetic field and its uncertainty budget uncertainty are presented for different configurations. The second article evaluated the magnetic field effect on perturbation factors of five small volume detectors, including three ionization chambers and two solid-state detectors. The perturbation factors from extracameral components, density and volume averaging factors were determined for different field sizes and orientation setups. Additionally, quality correction factors were calculated in the same conditions. Results show that the magnetic field significantly impacts the density perturbation factor in the ionization chambers. In contrast, its impact is more pronounced in the extracameral components in the solid-state detectors. The purpose of the third article was to provide more insight into the understanding of detector dose-response in magnetic fields via calculations of electron fluence spectra. The electron fluence differential in energy in the detector cavity can be severely modified in magnetic fields, and fluence perturbations are generally more evident for low-energy electrons. These calculations showed the interplay between multiple factors that make the perturbation effects unpredictable in photon beams coupled to magnetic fields: 1) detector and magnetic field orientation, 2) cavity size and shape, 3) extracameral components, 4) air gaps and their asymmetry, and 5) energy.