High-power test results of a 3 GHz single-cell cavity

Compact, reliable and little consuming accelerators are required for the treatment of tumours with ions. TERA proposes the "cyclinac", composed of a high-frequency, fast-cycling linac which boosts the energy of the particles previously accelerated in a cyclotron. The dimensions of the linac can be reduced if high gradients are used. TERA initiated a high-gradient test program to understand the operational limit of such structures. The program foresees the design, prototyping and high-power test of several high-gradient structures operating at 3 and 5.7 GHz. The high-power tests of the 3 GHz single-cell cavity were completed in Winter 2012. The maximum BDR threshold measured for Emax of 170 MV/m and RF pulses of 2.5 \mu s was 3 x 10-6 bpp/m

Nitric oxide synthetic pathway in red blood cells Is impaired in coronary artery disease

Background:All the enzymatic factors/cofactors involved in nitric oxide (NO) metabolism have been recently found in red blood cells. Increased oxidative stress impairs NO bioavailability and has been described in plasma of coronary artery disease (CAD) patients. The aim of the study was to highlight a potential dysfunction of the metabolic profile of NO in red blood cells and in plasma from CAD patients compared with healthy controls.Methods:We determined L-arginine/NO pathway by liquid-chromatography tandem mass spectrometry and high performance liquid chromatography methods. The ratio of oxidized and reduced forms of glutathione, as index of oxidative stress, was measured by liquid-chromatography tandem mass spectrometry method. NO synthase expression and activity were evaluated by immunofluorescence staining and ex-vivo experiments of L-[15N2]arginine conversion to L-[15N]citrulline respectively.Results:Increased amounts of asymmetric and symmetric dimethylarginines were found both in red blood cells and in plasma of CAD patients in respect to controls. Interestingly NO synthase expression and activity were reduced in CAD red blood cells. In contrast, oxidized/reduced glutathione ratio was increased in CAD and was associated to arginase activity.Conclusion:Our study analyzed for the first time the whole metabolic pathway of L-arginine/NO, both in red blood cells and in plasma, highlighting an impairment of NO pathway in erythrocytes from CAD patients, associated with decreased NO synthase expression/activity and increased oxidative stress

Development of Stripline Kickers for Low Emittance Rings: Application to the Beam Extraction Kicker for CLIC Damping Rings

El descubrimiento del bosón de Higgs ha iniciado una nueva era en el LHC cuyo objetivo será medir las propiedades de dicho bosón con la mayor precisión posible. Sin embargo, dada la complejidad de los protones, compuestos por quarks y gluones, existe el consenso en la Física de Altas Energías de que el próximo colisionador será un colisionador electrón-positrón. Desde un punto de vista simplista, para que electrones y positrones colisionen a muy altas energías en un colisionador circular, la energía perdida por radiación sincrotrón debe reponerse mediante estructuras aceleradoras de radiofrecuencia. Una alternativa para evitar este problema, es construir un colisionador lineal donde dos aceleradores lineales (linacs) opuestos aceleran las partículas hasta alcanzar su energía final en un solo paso antes de hacerlas colisionar en un punto de interacción central. Dos colisionadores lineales de electrones y positrones han sido propuestos: ILC (International Linear Collider) en el rango de energías de 1 TeV, y CLIC (Compact Linear Collider) en el rango de energías de 10 TeV. ILC ha sido diseñado para operar a una energía de 0.5 TeV y con una luminosidad de 2×1034cm−2s−1, utilizando cavidades aceleradoras superconductoras con un gradiente de aceleración de 31.5 MV/m. En cambio, CLIC está siendo diseñado para tener una energía de 3 TeV, y una luminosidad máxima de 1035cm−2s−1, con un gradiente de aceleración de 100 MV/m. Para alcanzar dichas luminosidades se necesitan anillos de amortiguamiento (Damping Rings, DRs) que reduzcan la emitancia de los haces creados por las fuentes de electrones y positrones varios órdenes de magnitud, produciendo además haces muy estables. El diseño de los DRs es diferente en el caso de ILC y CLIC. En CLIC, el tren de paquetes de partículas es relativamente corto con muy poco espacio entre paquetes y una alta frecuencia de repetición, mientras que el tren de paquetes de ILC es más largo, lo que hace que los DRs deban tener un radio mayor. Además, la alta luminosidad necesaria en ILC se consigue aumentando la carga del paquete de partículas, mientras que en CLIC se consigue reduciendo la emitancia del haz hasta valores sin precedentes, especialmente en el plano vertical: 5 nm en el caso de CLIC a una energía de 2.86 GeV, mientras que para ILC es 20 nm a una energía de 5 GeV. Esta emitancia vertical en CLIC se podría conseguir mediante dos pre-damping rings (PDRs) y dos DRs. Para transferir el haz de un anillo a otro, así como desde la fuente de electrones y positrones a los PDRs y desde los DRs a los linacs, se necesita un sistema de inyección y un sistema de extracción del haz en cada uno de los cuatro anillos. Estos sistemas de inyección o extracción (kickers) deben inyectar o extraer el haz de manera muy estable y afectar mínimamente al haz que circula. Estudios anteriores de los kickers de inyección y extracción para el desarrollo del ILC y del CLIC Test Facility 3 (CTF3), demostraron que el kicker electromagnético, conocido como stripline kicker, es el más adecuado para este tipo de operación. Este proyecto de tesis doctoral tiene como objetivo el desarrollo de la metodología necesaria para diseñar stripline kickers para aceleradores circulares de baja emitancia. En particular esta tesis se basa en el diseño, construcción y tests de laboratorio del stripline kicker para la extracción de haz de los DRs de CLIC, pero los estudios realizados pueden extenderse a los DRs de ILC o a cualquier otro anillo de baja emitancia. La primera parte de este trabajo de investigación se centra en el estudio y diseño del stripline kicker, consistente en dos electrodos dentro de un tubo cilíndrico de vacío. Con el fin de conseguir las especificaciones requeridas, para el diseño de este prototipo la autora propone un nuevo enfoque que no había sido utilizado hasta ahora en el estudio de Futuros Colisionadores Lineales (FLCs). Éste consiste en el estudio de los dos modos de operación que presentan dos líneas de transmisión acopladas, como es el caso del stripline kicker, analizando cómo varían diferentes parámetros en ambos modos de operación con la geometría de los electrodos, para las dos geometrías más ampliamentes usadas, electrodos planos y electrodos curvos. Estos primeros estudios se han realizado analíticamente y numéricamente usando el código de simulación de campos electromagnéticos en el dominio de la frecuencia HFSS. Estos estudios han sido: impedancia característica de las líneas de transmisión acopladas y homogeneidad del campo electromagnético. De este estudio se concluyó que sólo con los electrodos planos se cumplen las especificaciones de homogeneidad de campo, mientras que la adaptación de impedancias en ambos modos de operación no fueron del todo óptimas. Por este motivo, la autora ha propuesto una nueva geometría, llamada media luna, con la que se mejoró la adaptación de impedancias. Estas dos geometrías, electrodos planos y electrodos media luna, se estudiaron más en profundidad y se confrontaron los resultados para elegir la geometría más óptima. Los estudios realizados fueron los siguientes: la aparición de arcos eléctricos (rigidez dieléctrica) entre los electrodos y el tubo de vacío, la transmisión de potencia a través de los electrodos y la impedancia longitudinal y transversal que ve el haz de partículas al pasar a través del stripline kicker. Estos últimos estudios se realizaron con el programa de simulación de campos electromagnéticos en el dominio del tiempo CST, que permite simular el paso de un haz a través de una estructura. Al final de este estudio, se eligieron los electrodos media luna como la geometría más óptima para el kicker de extracción del haz de los DRs de CLIC. La segunda parte de este trabajo de tesis consiste en el estudio del resto de componentes, aparte de los electrodos y la cámara de vacío, que conforman un stripline kicker: los soportes de los electrodos y los pasamuros, así como los materiales y el estudio de las tolerancias. Los soportes convencionales no se han utilizado, y un nuevo diseño, consistente en cuatro anillos cerámicos, ha sido propuesto. Estos soportes permiten el ensamblaje de los electrodos fuera de la cámara de vacío, lo que asegura su paralelismo y posición angular antes de introducirlos en la cámara: ésta es la única manera de garantizar la uniformidad de campo. Además, debido al poco espacio entre los electrodos y la cámara de vacío los soportes convencionales no hubiesen podido utilizarse. El programa de simulación CST se ha utilizado para estudiar cómo estos anillos cerámicos, así como los pasamuros comerciales escogidos, afectan a la transmisión de potencia y a la impedancia de acoplamiento del haz. La tercera parte de la tesis comprende las medidas en laboratorio que han permitido corroborar los estudios analíticos y numéricos realizados previamente a bajas frecuencias. Las medidas realizadas han sido: parámetros de reflexión, impedancia longitudinal del haz, impedancia transversal del haz y fenómenos de arcos eléctricos para alto voltaje. Los resultados para los parámetros de reflexión y para la impedancia longitudinal del haz están de acuerdo con las simulaciones realizadas en la fase del diseño, mientras que para la impedancia transversal, sobre todo en el caso vertical, se necesitarán más estudios. Por otro lado, la aparición de arcos eléctricos a voltajes de unos ±10 kV en DC, hace que sean necesarias medidas con voltajes pulsados para garantizar la correcta operación del kicker una vez instalado en un acelerador. Gracias al profundo conocimiento adquirido durante todo este trabajo, también se presentan diferentes propuestas para kickers de nueva generación. Para finalizar la caracterización de este primer prototipo, en el futuro se realizarán medidas con haz en un acelerador, que ayudarán a estudiar la impedancia longitudinal y transversal del haz, tanto a bajas como a altas frecuencias. La construcción de sistemas de inyección y extracción más estables y con baja impedancia de haz, permitirá que haces de muy baja emitancia sean inyectados en los FLCs, aumentando así la probabilidad de colisión en el punto de interacción. Además, todos estos desarrollos serán de gran utilidad en otros aceleradores como por ejemplo futuras fuentes de luz sincrotrón y los Futuros Colisionadores Circulares (FCCs)

Characterisation Studies of Proton Beamlines for Medical Applications and Beam Diagnostics Integration

Recent advancements in accelerator technology and increasing experience with utilising charged particle beams for medical applications have supported the growing presence of ion beam therapy worldwide. The advantageous dosimetric properties enable high amounts of radiation to be precisely shaped and delivered to target sites while sparing surrounding healthy tissue. Accelerators, beam transport and delivery systems are designed to optimally and safely deliver the beam according to the prescribed treatment. This is maintained by beam instrumentation devices however limitations are seen with conventional tools. Therefore advanced diagnostics are needed to fully exploit fundamental benefits, for enhanced functionality and to accommodate new developments in particle therapy. A novel online beam monitor based on LHCb VELO detector technology is being developed, capable of providing non-interceptive, active measurements of the beam halo and was optimised for the 60 MeV ocular proton beamline at the Clatterbridge Cancer Centre, UK. The facility offers a unique environment to assess the viability of the detectors however in order to integrate the system, the propagation and behaviour of the beam must be well understood. Several computational tools were developed to precisely model and completely characterise the facility. Simulation studies were performed using a GEANT4 model of the treatment line to generate transverse beam distributions which showed minimal impact of the sensors on the beam whilst revealing a dependency on the input beam parameters. Experimental measurements were performed using EBT3 film and benchmarked with a Medipix3 detector to verify the model and also to test for the first time, its performance and applicability in a clinical proton environment. An alternative approach was necessary to resolve beam information upstream and an extensive review was required to overcome facility related limitations to determine fundamental beamline parameters. An optical lattice was defined in MAD-X and BDSIM, enabling the possibility of end-to-end modelling and yielding parameters (σ(x,y) = 6.89, 2.14 mm, β(x,y) = 9.52, 4.59 m and D(x,y) = 0.01, 0.00 m) which were used to define the treatment beam. This was utilised in a redeveloped TOPAS model of the CCC delivery system which also incorporated the progress made with multiple codes, providing a single platform for future use. Simulations of the dose deposition, transverse beam profiles and linear energy transfer were achieved. Measurements were also performed with a MiniPIX-Timepix detector to experimentally verify the model for correlation with radiobiological applications. These methods provide a basis to reproduce the physical properties of the beam given the present state of the Clatterbridge facility. This approach was also applied for proof of concept measurements performed at the University of Birmingham. Several uncertainties and improvements are discussed however the achieved results demonstrate the possibilities of the adapted VELO sensors as a beam monitoring system. This thesis combines computational modelling, experimental studies and accelerator concepts to establish a framework to characterise, optimise and realistically simulate medical proton beamlines. The application of this work supports the development and integration of novel diagnostics as explored at existing facilities, for improvements in the delivery and outcomes of proton therapy

Investigation de l'activité photochimique de la photosynthèse et son utilisation dans l'évaluation des effets toxiques de xénobiotiques

Dans cette thèse, le projet de recherche concerne l'investigation des effets toxiques des xénobiotiques sur le fonctionnement de l'appareil photosynthétique et l'état physiologique d'un système cellulaire ou d'un organisme multicellulaire. Le changement du rendement et des spectres de la cinétique de la fluorescence chlorophyllienne a été utilisé pour interpréter les mécanismes moléculaires de la photosynthèse lorsque la plante a été exposée à différents xénobiotiques. Les effets des xénobiotiques sur le changement des différents paramètres de fluorescence indiquant le rendement photochimique, la dissipation d'énergie via le transport d'électrons ou via les voies non photochimiques ont été utilisés pour déterminer des biomarqueurs qui sont indicateurs de toxicité. Dans notre recherche, nous avons utilisé l'algue unicellulaire Scenedesmus obliquus et des plantes supérieures (Lemna sp. et Hordeum vulgare) comme matériel pour les expériences. Des méthodes fluorométriques et spectroscopiques ont été utilisées pour étudier la réaction photochimique primaire et le transport des électrons photosynthétiques. Pour l'étude des réactions photochimiques du photosystème II in vitro, les fragments membranaires des thylacoïdes ont été utilisés. L'induction du stress oxydatif a été analysée par l'investigation de l'activité enzymatique de la catalase, l'ascorbate peroxydase, la glutathion réductase et la glutathion S-transférase. Dans la partie concernant l'étude des mécanismes de toxicité des xénobiotiques, nous avons démontré chez Lemna gibba que le méthanol inhibe le rendement photochimique et la dissipation d'énergie sous forme non photochimique. Lorsque les concentrations de méthanol étaient au-dessous de 0,5 %, un effet stimulant a été montré sur la formation de la biomasse. Nous avons interprété cet effet comme un mécanisme d'acclimatation de la photosynthèse envers la toxicité du méthanol et ses produits de dégradation. Dans l'étude de la toxicité de l'oxyfluorfène chez l'algue Scenedesmus obliquus, nous avons démontré que ce xénobiotique inhibe la synthèse de la chlorophylle et détériore le transfert d'énergie entre les antennes collectrices et le centre réactionnel du photosystème II. L'augmentation de l'activité des enzymes antioxydantes catalase et glutathion S-transférase a été interprétée comme une indication du stress oxydatif induit par l'oxyfluorfène. L'induction du stress oxydatif a également été démontrée comme une conséquence de l'effet toxique du fludioxonyl. Cet effet oxydatif a été indiqué par l'activité des enzymes catalase, ascorbate peroxydase et glutathion S-transférase. Il apparaissait que les effets du fludioxonyl sur la photosynthèse étaient négligeables. Cependant, chez la même espèce d'algue, l'inhibition du transport linéaire des électrons du photosystème II a été une conséquence directe des effets toxiques de l'isoproturon. Le changement des paramètres de fluorescence comme l'efficacité opérationnelle du photosystème II, le « quenching » photochimique et le ratio entre les antennes collectrices et le centre réactionnel, a montré une forte corrélation avec l'inhibition de la division cellulaire. L'étude des effets toxiques des ions cuivre a montré une forte inhibition de l'activité photochimique du PSII, une augmentation de la dissipation d'énergie sous forme non photochimique et une diminution de la proportion des antennes collectrices par centre réactionnel. L'induction d'un stress oxydatif a aussi été démontrée par le changement de l'activité de la catalase. Dans la deuxième partie de l'étude, nous avons investigué les effets toxiques des xénobiotiques sur le changement des paramètres de fluorescence utilisés comme des biomarqueurs de toxicité sur la photosynthèse et l'état physiologique d'un système algal unicellulaire et de l'organisme entier d'une plante. Pour le méthanol, l'atrazine, l'isoproturon, les ions cuivre, l'oxyfluorfène et fludioxonyl, nous avons montré que les paramètres de fluorescence indiquant le rendement photochimique du photosystème II, la dissipation d'énergie via le transport d'électrons ou les voies non photochimiques ont été les plus sensibles et fiables indicateurs de leurs effets toxiques sur la photosynthèse et sur l'état physiologique de l'organisme entier. Nous avons également déterminé que les paramètres de fluorescence peuvent montrer un changement structurel qui est induit par les différents xénobiotiques. Pour les xénobiotiques étudiés, nous avons démontré que le ratio entre les antennes collectrices et le centre réactionnel du photosystème II représente un biomarqueur sensible et fiable de leur toxicité. En conclusion, nous avons réussi à déterminer les paramètres les plus sensibles et fiables pouvant être employés comme des biomarqueurs dans les bioessais de toxicité

High-gradient testing of an SS-band, normal-conducting low phase velocity accelerating structure

International audienceA novel high-gradient accelerating structure with low phase velocity, v/c=0.38, has been designed, manufactured and high-power tested. The structure was designed and built using the methodology and technology developed for CLIC 100  MV/m high-gradient accelerating structures, which have speed of light phase velocity, but adapts them to a structure for nonrelativistic particles. The parameters of the structure were optimized for the compact proton therapy linac project, and specifically to 76 MeV energy protons, but the type of structure opens more generally the possibility of compact low phase velocity linacs. The structure operates in S-band, is backward traveling wave (BTW) with a phase advance of 150 degrees and has an active length of 19 cm. The main objective for designing and testing this structure was to demonstrate that low velocity particles, in particular protons, can be accelerated with high gradients. In addition, the performance of this structure compared to other type of structures provides insights into the factors that limit high gradient operation. The structure was conditioned successfully to high gradient using the same protocol as for CLIC X-band structures. However, after the high power test, data analysis realized that the structure had been installed backwards, that is, the input power had been fed into what is nominally the output end of the structure. This resulted in higher peak fields at the power feed end and a steeply decreasing field profile along the structure, rather than the intended near constant field and gradient profile. A local accelerating gradient of 81  MV/m near the input end was achieved at a pulse length of 1.2  μs and with a breakdown rate (BDR) of 7.2×10-7  1/pulse/m. The reverse configuration was accidental but the operating with this field condition gave very important insights into high-gradient behaviour and a comprehensive analysis has been carried out. A particular attention was paid to the characterization of the distribution of BD positions along the structure and within a cell

Electromagnetic Coupling Between High Intensity LHC Beams and the Synchrotron Radiation Monitor Light Extraction System

The CERN LHC is equipped with two Synchrotron Radiation Monitor (BSRT) systems used to characterise transverse and longitudinal beam distributions. Since the end of the 2011 LHC run the light extraction system, based on a retractable mirror, has suffered deformation and mechanical failure that is correlated to the increase in beam intensity. Temperature probes have associated these observations to a strong heating of the mirror support with a dependence on the longitudinal bunch length and shape, indicating the origin as electromagnetic coupling between the beam and the structure. This paper combines all this information with the aim of characterising and improving the system in view of its upgrade during the current LHC shutdown. Beam-based observations are presented along with electromagnetic and thermomechanical simulations and complemented by laboratory measurements, including the study of the RF properties of different mirror bulk and coating materials

Comparative phylogeography reveals consistently shallow genetic diversity in a mitochondrial marker in Antarctic bdelloid rotifers

Aim: The long history of isolation of the Antarctic continent, coupled with the harsh ecological conditions of freezing temperatures, could affect the patterns of genetic diversity in the organisms living there. We aim (a) to test whether such pattern can be seen in a mitochondrial marker of bdelloid rotifers, a group of microscopic aquatic and limno-terrestrial animals and (b) to speculate on the potential mechanisms driving the pattern. Location: Focus on Antarctica. Taxon: Rotifera Bdelloidea. Methods: We analysed different metrics of genetic diversity, also spatially explicit ones, including number of haplotypes, accumulation curves, genetic distances, time to the most recent common ancestor, number of independently evolving units from DNA taxonomy, strength of the correlation between geographical and genetic distances, population genetics neutrality and differentiation indices, potential historical processes, obtained from an extensive sample of cytochrome oxidase subunit I (COI) sequences obtained from bdelloid rotifers. We included 2242 individuals from 23 species in a comparison between Antarctic and non-Antarctic taxa, correcting for sample size directly in the analyses and then by confirming the results also using only a restricted dataset of nine well-sampled species. Results: Antarctic species had consistently lower genetic diversity and potential younger relative age than non-Antarctic species, even if they were similar in sample size, geographical extent, neutrality and differentiation indices, and correlation between genetic and geographical distances. Main conclusions: The extensive survey of genetic diversity in one mitochondrial marker in Antarctic bdelloids supports previous suggestions from other organism