Bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring

La collaboration CLIC (Compact LInear Collider, collisionneur linéaire compact) étudie la possibilité de réaliser un collisionneur électron-positon linéaire à haute énergie (3 TeV dans le centre de masse) et haute luminosité (1034 cm-2s-1), pour la recherche en physique des particules. Le projet CLIC se fonde sur l'utilisation de cavités accélératrices à haute fréquence (30 GHz). La puissance nécessaire à ces cavités est fournie par un faisceau d'électrons de basse énergie et de haute intensité, appelé faisceau de puissance, circulant parallèlement à l'accélérateur linéaire principal (procédé appelé « Accélération à Double Faisceau »). Dans ce schéma, un des principaux défis est la réalisation du faisceau de puissance, qui est d'abord généré dans un complexe accélérateur à basse fréquence, puis transformé pour obtenir une structure temporelle à haute fréquence nécessaire à l'alimentation des cavités accélératrices de l'accélérateur linéaire principal. La structure temporelle à haute fréquence des paquets d'électrons est obtenue par le procédé de multiplication de fréquence, dont la manipulation principale consiste à faire circuler le faisceau d'électrons dans un anneau isochrone en utilisant des déflecteurs radio-fréquence (déflecteurs RF) pour injecter et combiner les paquets d'électrons. Cependant, ce type de manipulation n'a jamais été réalisé auparavant et la première phase de la troisième installation de test pour CLIC (CLIC Test Facility 3 ou CTF3) a pour but la démonstration à faible charge du procédé de multiplication de fréquence par injection RF dans un anneau isochrone. Cette expérience, qui a été réalisée avec succès au CERN au cours de l'année 2002 en utilisant une version modifiée du pré-injecteur du grand collisionneur électron-positon LEP (Large Electron Positron), est le sujet central de ce rapport. L'expérience de combinaison des paquets d'électrons consiste à accélérer cinq impulsions dont les paquets d'électrons sont espacés de 10 cm, puis à les combiner dans un anneau isochrone pour obtenir une seule impulsion dont les paquets d'électrons sont espacés de 2 cm, multipliant ainsi la fréquence des paquets d'électrons, ainsi que la charge par impulsion, par cinq. Cette combinaison est réalisée au moyen de structures RF résonnantes sur un mode déflecteur, qui créent dans l'anneau une déformation locale et dépendante du temps de l'orbite du faisceau. Ce mécanisme impose plusieurs contraintes de dynamique de faisceau comme l'isochronicité, ainsi que des tolérances spécifiques sur les paquets d'électrons, qui sont définies dans ce rapport. Les études pour la conception de la Phase Préliminaire du CTF3 sont détaillées, en particulier le nouveau procédé d'injection avec les déflecteurs RF. Les tests de haute puissance réalisés sur ces cavités déflectrices avant leur installation dans l'anneau sont également décrits. L'activité de mise en fonctionnement de l'expérience est présentée en comparant les mesures faites avec le faisceau aux simulations et calculs théoriques. Finalement, les expériences de multiplication de fréquence des paquets d'électrons sont décrites et analysées. On montre qu'une très bonne efficacité de combinaison est possible après optimisation des paramètres de l'injection et des déflecteurs RF. En plus de l'expérience acquise sur l'utilisation de ces déflecteurs, des conclusions importantes pour les futures activités CTF3 et CLIC sont tirées de cette première démonstration de la multiplication de fréquence des paquets d'électrons par injection RF dans un anneau isochrone.<br/><br/>The Compact LInear Collider (CLIC) collaboration studies the possibility of building a multi-TeV (3 TeV centre-of-mass), high-luminosity (1034 cm-2s-1) electron-positron collider for particle physics. The CLIC scheme is based on high-frequency (30 GHz) linear accelerators powered by a low-energy, high-intensity drive beam running parallel to the main linear accelerators (Two-Beam Acceleration concept). One of the main challenges to realize this scheme is to generate the drive beam in a low-frequency accelerator and to achieve the required high-frequency bunch structure needed for the final acceleration. In order to provide bunch frequency multiplication, the main manipulation consists in sending the beam through an isochronous combiner ring using radio-frequency (RF) deflectors to inject and combine electron bunches. However, such a scheme has never been used before, and the first stage of the CLIC Test Facility 3 (CTF3) project aims at a low-charge demonstration of the bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring. This proof-of-principle experiment, which was successfully performed at CERN in 2002 using a modified version of the LEP (Large Electron Positron) pre-injector complex, is the central subject of this report. The bunch combination experiment consists in accelerating in a linear accelerator five pulses in which the electron bunches are spaced by 10 cm, and combining them in an isochronous ring to obtain one pulse in which the electron bunches are spaced by 2 cm, thus achieving a bunch frequency multiplication of a factor five, and increasing the charge per pulse by a factor five. The combination is done by means of RF deflecting cavities that create a time-dependent bump inside the ring, thus allowing the interleaving of the bunches of the five pulses. This process imposes several beam dynamics constraints, such as isochronicity, and specific tolerances on the electron bunches that are defined in this report. The design studies of the CTF3 Preliminary Phase are detailed, with emphasis on the novel injection process using RF deflectors. The high power tests performed on the RF deflectors prior to their installation in the ring are also reported. The commissioning activity is presented by comparing beam measurements to model simulations and theoretical expectations. Eventually, the bunch frequency multiplication experiments are described and analysed. It is shown that the process of bunch frequency multiplication is feasible with a very good efficiency after a careful optimisation of the injection and RF deflector parameters. In addition to the experience acquired in the operation of these RF deflectors, important conclusions for future CTF3 and CLIC activities are drawn from this first demonstration of the bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring.<br/><br/>La collaboration CLIC (Compact LInear Collider, collisionneur linéaire compact) étudie la possibilité de réaliser un collisionneur électron-positon linéaire à haute énergie (3 TeV) pour la recherche en physique des particules. Le projet CLIC se fonde sur l'utilisation de cavités accélératrices à haute fréquence (30 GHz). La puissance nécessaire à ces cavités est fournie par un faisceau d'électrons de basse énergie et de haut courant, appelé faisceau de puissance, circulant parallèlement à l'accélérateur linéaire principal (procédé appelé « Accélération à Double Faisceau »). Dans ce schéma, un des principaux défis est la réalisation du faisceau de puissance, qui est d'abord généré dans un complexe accélérateur à basse fréquence, puis transformé pour obtenir une structure temporelle à haute fréquence nécessaire à l'alimentation des cavités accélératrices de l'accélérateur linéaire principal. La structure temporelle à haute fréquence des paquets d'électrons est obtenue par le procédé de multiplication de fréquence, dont la manipulation principale consiste à faire circuler le faisceau d'électrons dans un anneau isochrone en utilisant des déflecteurs radio-fréquence (déflecteurs RF) pour injecter et combiner les paquets d'électrons. Cependant, ce type de manipulation n'a jamais été réalisé auparavant et la première phase de la troisième installation de test pour CLIC (CLIC Test Facility 3 ou CTF3) a pour but la démonstration à faible charge du procédé de multiplication de fréquence par injection RF dans un anneau isochrone. L'expérience consiste à accélérer cinq impulsions, puis à les combiner dans un anneau isochrone pour obtenir une seule impulsion dans laquelle la fréquence des paquets d'électrons et le courant sont multipliés par cinq. Cette combinaison est réalisée au moyen de structures déflectrices RF qui créent dans l'anneau une déformation locale et dépendante du temps de la trajectoire du faisceau. Les résultats de cette expérience, qui a été réalisée avec succès au CERN au cours de l?année 2002 en utilisant une version modifiée du pré-injecteur du grand collisionneur électron-positon LEP (Large Electron Positon), sont présentés en détail.

Extra Forces induced by wide-pulse, high-frequency electrical stimulation: Occurrence, magnitude, variability and underlying mechanisms.

OBJECTIVE: In contrast to conventional (CONV) neuromuscular electrical stimulation (NMES), the use of "wide-pulse, high-frequencies" (WPHF) can generate higher forces than expected by the direct activation of motor axons alone. We aimed at investigating the occurrence, magnitude, variability and underlying neuromuscular mechanisms of these "Extra Forces" (EF). METHODS: Electrically-evoked isometric plantar flexion force was recorded in 42 healthy subjects. Additionally, twitch potentiation, H-reflex and M-wave responses were assessed in 13 participants. CONV (25Hz, 0.05ms) and WPHF (100Hz, 1ms) NMES consisted of five stimulation trains (20s on-90s off). RESULTS: K-means clustering analysis disclosed a responder rate of almost 60%. Within this group of responders, force significantly increased from 4% to 16% of the maximal voluntary contraction force and H-reflexes were depressed after WPHF NMES. In contrast, non-responders showed neither EF nor H-reflex depression. Twitch potentiation and resting EMG data were similar between groups. Interestingly, a large inter- and intrasubject variability of EF was observed. CONCLUSION: The responder percentage was overestimated in previous studies. SIGNIFICANCE: This study proposes a novel methodological framework for unraveling the neurophysiological mechanisms involved in EF and provides further evidence for a central contribution to EF in responders.

Congenital hypogonadotropic hypogonadism with split hand/foot malformation: a clinical entity with a high frequency of FGFR1 mutations.

PURPOSE: Congenital hypogonadotropic hypogonadism (CHH) and split hand/foot malformation (SHFM) are two rare genetic conditions. Here we report a clinical entity comprising the two. METHODS: We identified patients with CHH and SHFM through international collaboration. Probands and available family members underwent phenotyping and screening for FGFR1 mutations. The impact of identified mutations was assessed by sequence- and structure-based predictions and/or functional assays. RESULTS: We identified eight probands with CHH with (n = 3; Kallmann syndrome) or without anosmia (n = 5) and SHFM, seven of whom (88%) harbor FGFR1 mutations. Of these seven, one individual is homozygous for p.V429E and six individuals are heterozygous for p.G348R, p.G485R, p.Q594*, p.E670A, p.V688L, or p.L712P. All mutations were predicted by in silico analysis to cause loss of function. Probands with FGFR1 mutations have severe gonadotropin-releasing hormone deficiency (absent puberty and/or cryptorchidism and/or micropenis). SHFM in both hands and feet was observed only in the patient with the homozygous p.V429E mutation; V429 maps to the fibroblast growth factor receptor substrate 2α binding domain of FGFR1, and functional studies of the p.V429E mutation demonstrated that it decreased recruitment and phosphorylation of fibroblast growth factor receptor substrate 2α to FGFR1, thereby resulting in reduced mitogen-activated protein kinase signaling. CONCLUSION: FGFR1 should be prioritized for genetic testing in patients with CHH and SHFM because the likelihood of a mutation increases from 10% in the general CHH population to 88% in these patients.Genet Med 17 8, 651-659.

Frequency of and Risk Factors for Depression among Participants in the Swiss HIV Cohort Study (SHCS).

OBJECTIVES: We studied the incidence and prevalence of, and co-factors for depression in the Swiss HIV Cohort Study. METHODS: Depression-specific items were introduced in 2010 and prospectively collected at semiannual cohort visits. Clinical, laboratory and behavioral co-factors of incident depression among participants free of depression at the first two visits in 2010 or thereafter were analyzed with Poisson regression. Cumulative prevalence of depression at the last visit was analyzed with logistic regression. RESULTS: Among 4,422 participants without a history of psychiatric disorders or depression at baseline, 360 developed depression during 9,348 person-years (PY) of follow-up, resulting in an incidence rate of 3.9 per 100 PY (95% confidence interval (CI) 3.5-4.3). Cumulative prevalence of depression during follow-up was recorded for 1,937/6,756 (28.7%) participants. Incidence and cumulative prevalence were higher in injection drug users (IDU) and women. Older age, preserved work ability and higher physical activity were associated with less depression episodes. Mortality (0.96 per 100 PY, 95% CI 0.83-1.11) based upon 193 deaths over 20,102 PY was higher among male IDU (2.34, 1.78-3.09), female IDU (2.33, 1.59-3.39) and white heterosexual men (1.32, 0.94-1.84) compared to white heterosexual women and homosexual men (0.53, 0.29-0.95; and 0.71, 0.55-0.92). Compared to participants free of depression, mortality was slightly elevated among participants with a history of depression (1.17, 0.94-1.45 vs. 0.86, 0.71-1.03, P = 0.033). Suicides (n = 18) did not differ between HIV transmission groups (P = 0.50), but were more frequent among participants with a prior diagnosis of depression (0.18 per 100 PY, 95%CI 0.10-0.31; vs. 0.04, 0.02-0.10; P = 0.003). CONCLUSIONS: Depression is a frequent co-morbidity among HIV-infected persons, and thus an important focus of care.

Responders to Wide-Pulse, High-Frequency Neuromuscular Electrical Stimulation Show Reduced Metabolic Demand: A 31P-MRS Study in Humans.

Conventional (CONV) neuromuscular electrical stimulation (NMES) (i.e., short pulse duration, low frequencies) induces a higher energetic response as compared to voluntary contractions (VOL). In contrast, wide-pulse, high-frequency (WPHF) NMES might elicit-at least in some subjects (i.e., responders)-a different motor unit recruitment compared to CONV that resembles the physiological muscle activation pattern of VOL. We therefore hypothesized that for these responder subjects, the metabolic demand of WPHF would be lower than CONV and comparable to VOL. 18 healthy subjects performed isometric plantar flexions at 10% of their maximal voluntary contraction force for CONV (25 Hz, 0.05 ms), WPHF (100 Hz, 1 ms) and VOL protocols. For each protocol, force time integral (FTI) was quantified and subjects were classified as responders and non-responders to WPHF based on k-means clustering analysis. Furthermore, a fatigue index based on FTI loss at the end of each protocol compared with the beginning of the protocol was calculated. Phosphocreatine depletion (ΔPCr) was assessed using 31P magnetic resonance spectroscopy. Responders developed four times higher FTI's during WPHF (99 ± 37 ×103 N.s) than non-responders (26 ± 12 ×103 N.s). For both responders and non-responders, CONV was metabolically more demanding than VOL when ΔPCr was expressed relative to the FTI. Only for the responder group, the ∆PCr/FTI ratio of WPHF (0.74 ± 0.19 M/N.s) was significantly lower compared to CONV (1.48 ± 0.46 M/N.s) but similar to VOL (0.65 ± 0.21 M/N.s). Moreover, the fatigue index was not different between WPHF (-16%) and CONV (-25%) for the responders. WPHF could therefore be considered as the less demanding NMES modality-at least in this subgroup of subjects-by possibly exhibiting a muscle activation pattern similar to VOL contractions.