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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.

For megavoltage electron beams, current dosimetry protocols assume well-guarded plane-parallel ionization chambers have electron perturbation correction factors of unity. Papers by other researchers have shown the contrary. The National Physical Laboratory (NPL), Teddington UK, has an electron calibration service that requires knowledge of the ratio of perturbation factors in water to graphite for their NACP-02 chamber. Using the Monte Carlo code EGSnrcMP, perturbation correction factors at depth zref in graphite for the NPL's Radiation Dynamics linac 4 – 19 MeV were calculated. These results combined with those in water calculated by Zakikhani (2006) showed that only the ratio of perturbation factors in water to graphite for the 4 MeV and 12 MeV beams, at 1.0080 ± 0.27 % and 1.0071 ± 0.28 %, were significantly different from unity. Perturbation correction factors in water and graphite for the Varian clinical linacs 4 – 18 MeV were also investigated. Important issues that arose requiring further study included the discrepancy in results caused by 1 keV vs. 10 keV transport cutoffs and whether the depth of the effective point of measurement should account for the phantom equivalent thickness of the chamber window. / Pour les faisceaux d'électrons de haute énergie (MV), les protocoles de dosimétrie actuels supposent que les chambres d'ionisation à plaques parallèles ont des facteurs de correction de perturbation électronique égaux à l'unité. Plusieurs articles d'autres auteurs ont démontré le contraire. Le National Physical Laboratory (NPL), Teddington Royaume-Uni, possède un service d'étalonnage qui requiert de savoir les facteurs de perturbation de l'eau par rapport au graphite pour leur chambre NACP-02. A l'aide du code Monte Carlo EGSnrcMP, les facteurs de correction de perturbation à profondeur zref dans le graphite ont été calculés pour le linac Radiation Dynamics du NPL à des énergies de 4-19 MeV. Ces résultats, combinés à ceux dans l'eau calculés par Zakikhani (2006), ont montré que seulement les facteurs de perturbation de l'eau par rapport au graphite des faisceaux de 4 MeV et 12 MeV, à 1,0080 ± 0,27 % et 1,0071 ± 0,28 % respectivement, étaient significativement différents de l'unité. Les facteurs de correction de perturbation dans l'eau et dans le graphite ont aussi été étudiés pour les linacs cliniques de Varian à 4-18 MeV. D'importants problèmes ont alors été soulevés, notamment des différences dans les résultats causés par des énergies de coupure de 1 keV par rapport à 10 keV ainsi que la question de savoir si la profondeur du point de mesure devrait prendre en compte l'épaisseur effective de la fenêtre d'entrée. Ces problèmes requièrent davantage d'études.

This project is to develop methods to retrospectively determine the size of alpha-emitting particles that have been collected on personal air samplers. The alpha radiation from such particles produces a cluster of tracks on the surface of an etched nuclear track detector, CR-39. The number of tracks in a cluster, as well the diameter of the cluster, are dependent on several factors: the diameter of the hot particle, the distance between the particle and the CR-39 surface, the composition of the particle, and the alpha-particle energy. / The dependence of the alpha-emitting particle size and the number of registered tracks were revealed, and produced predictions of the track density distribution observed on the CR-39 plastic. There is a good fit between the simulation of track density observed on the CR-39 and the tracks arising from uranium oxide and plutonium oxide particles.

The problem of charge creation by x-rays in amorphous selenium (a-Se) is studied. A quantitative theory is developed which includes collective and single electron-hole pair excitations by a passing electron. This theory is incorporated into a Monte Carlo code to calculate track structures in a-Se. The initial positions of the electron-hole pairs along these tracks are used to study the fraction of pairs which recombine versus incident x-ray energy and applied electric field. The experimentally-observed energy dependence of recombination is attributed to a spur size which is dependent on the velocity of the ionizing electrons. The theory and simulations agree with available experimental data in the energy range from 20 keV to 10 MeV. / The use of an a-Se based direct-detection active matrix flat-panel imager (AMFPI) is explored at megavoltage energies for use in the verification of radiotherapy treatments. As with most other megavoltage detectors, a metal front plate is used to reduce patient scatter and to act as a buildup layer. The Modulation Transfer Function (MTF), Noise Power Spectrum (NPS), and Detective Quantum Efficiency (DQE) are measured. The DQE for the direct detection AMFPI is compared with the published DQE of an indirect detection AMFPI for portal imaging. The direct detector has a lower DQE at zero frequency, but there is a cross-over at approximately 0.3 cycles/mm after which it has a higher DQE. / A theoretical expression for the DQE of medical imaging detectors with non-elementary cascade stages is derived. This formalism can be used in conjunction with Monte Carlo techniques to evaluate the DQE of megavoltage imaging detectors. The predictions of the theory agree with the experimental DQE results for the direct-detection AMFPI and also for published results for the DQE of both a metal/phosphor detector and an indirect-detection AMFPI. / The effect of scatter on image quality is modeled in terms of the scatter fraction (SF) and scatter-to-primary ratio (SPR) using Monte Carlo techniques. To validate these simulations, the SF is measured experimentally using a prototype a-Se detector which uses an electrostatic probe to measure the a-Se surface potential. The simulations are used, along with the DQE simulations, to study the effect of metal/a-Se or metal/phosphor thicknesses on image quality in direct and indirect AMFPIs at megavoltage energies. It is found that for a-Se or phosphor thicknesses less than about 300 mum, a front plate of about 1 mm copper is optimal whereas for larger a-Se/phosphor thicknesses a front plate of about 0.4 mm may in some situations lead to better image quality.