High-energy monoenergetic proton beams from two stage acceleration with a slow laser pulse

We present a new regime to generate high-energy quasimonoenergetic proton beams in a "slow-pulse" regime, where the laser group velocity vg<c is reduced by an extended near-critical density plasma. In this regime, for properly matched laser intensity and group velocity, ions initially accelerated by the light sail (LS) mode can be further trapped and reflected by the snowplough potential generated by the laser in the near-critical density plasma. These two acceleration stages are connected by the onset of Rayleigh-Taylor-like (RT) instability. The usual ion energy spectrum broadening by RT instability is controlled and high quality proton beams can be generated. It is shown by multidimensional particle-in-cell simulation that quasimonoenergetic proton beams with energy up to hundreds of MeV can be generated at laser intensities of 1021W/cm².

Laser-driven three-stage heavy-ion acceleration from relativistic laser-plasma interaction

A three-stage heavy ion acceleration scheme for generation of high-energy quasimonoenergetic heavy ion beams is investigated using two-dimensional particle-in-cell simulation and analytical modeling. The scheme is based on the interaction of an intense linearly polarized laser pulse with a compound two-layer target (a front heavy ion layer + a second light ion layer). We identify that, under appropriate conditions, the heavy ions preaccelerated by a two-stage acceleration process in the front layer can be injected into the light ion shock wave in the second layer for a further third-stage acceleration. These injected heavy ions are not influenced by the screening effect from the light ions, and an isolated high-energy heavy ion beam with relatively low-energy spread is thus formed. Two-dimensional particle-in-cell simulations show that ∼100MeV/u quasimonoenergetic Fe24+ beams can be obtained by linearly polarized laser pulses at intensities of 1.1×1021W/cm². 

Collimated proton acceleration in light sail regime with a tailored pinhole target

A scheme for producing collimated protons from laser interactions with a diamond-like-carbon+pinhole target is proposed. The process is based on radiation pressure acceleration in the multi-species light-sail regime [B. Qiao et al., Phys. Rev. Lett. 105, 155002 (2010); T. P. Yu et al., Phys. Rev. Lett. 105, 065002 (2010)]. Particle-in-cell simulations demonstrate that transverse quasistatic electric field at TV/m level can be generated in the pinhole. The transverse electric field suppresses the transverse expansion of protons effectively, resulting in a higher density and more collimated proton beam compared with a single foil target. The dependence of the proton beam divergence on the parameters of the pinhole is also investigated. 

Proton acceleration enhanced by a plasma jet in expanding foils undergoing relativistic transparency

Ion acceleration driven by the interaction of an ultraintense (2 × 10²⁰ W cm^-2) laser pulse with an ultrathin ( nm) foil target is experimentally and numerically investigated. Protons accelerated by sheath fields and via laser radiation pressure are angularly separated and identified based on their directionality and signature features (e.g. transverse instabilities) in the measured spatial-intensity distribution. A low divergence, high energy proton component is also detected when the heated target electrons expand and the target becomes relativistically transparent during the interaction. 2D and 3D particle-in-cell simulations indicate that under these conditions a plasma jet is formed at the target rear, supported by a self-generated azimuthal magnetic field, which extends into the expanded layer of sheath-accelerated protons. Electrons trapped within this jet are directly accelerated to super-thermal energies by the portion of the laser pulse transmitted through the target. The resulting streaming of the electrons into the ion layers enhances the energy of protons in the vicinity of the jet. Through the addition of a controlled prepulse, the maximum energy of these protons is demonstrated experimentally and numerically to be sensitive to the picosecond rising edge profile of the laser pulse.

Scaled Heavy-Ball Acceleration of the Richardson-Lucy Algorithm for 3D Microscopy Image Restoration

The Richardson–Lucy algorithm is one of the most important in image deconvolution. However, a drawback is its slow convergence. A significant acceleration was obtained using the technique proposed by Biggs and Andrews (BA), which is implemented in the deconvlucy function of the image processing MATLAB toolbox. The BA method was developed heuristically with no proof of convergence. In this paper, we introduce the heavy-ball (H-B) method for Poisson data optimization and extend it to a scaled H-B method, which includes the BA method as a special case. The method has a proof of the convergence rateof O(K^2), where k is the number of iterations. We demonstrate the superior convergence performance, by a speedup factor off ive, of the scaled H-B method on both synthetic and real 3D images.

Ion acceleration and plasma jet formation in ultra-thin foils undergoing expansion and relativistic transparency

At sufficiently high laser intensities, the rapid heating to relativistic velocities and resulting decompression of plasma electrons in an ultra-thin target foil can result in the target becoming relativistically transparent to the laser light during the interaction. Ion acceleration in this regime is strongly affected by the transition from an opaque to a relativistically transparent plasma. By spatially resolving the laser-accelerated proton beam at near-normal laser incidence and at an incidence angle of 30°, we identify characteristic features both experimentally and in particle-in-cell simulations which are consistent with the onset of three distinct ion acceleration mechanisms: sheath acceleration; radiation pressure acceleration; and transparency-enhanced acceleration. The latter mechanism occurs late in the interaction and is mediated by the formation of a plasma jet extending into the expanding ion population. The effect of laser incident angle on the plasma jet is explored.

Guided post-acceleration of laser-driven ions by a miniature modular structure

All-optical approaches to particle acceleration are currently attracting a significant research effort internationally. Although characterized by exceptional transverse and longitudinal emittance, laser-driven ion beams currently have limitations in terms of peak ion energy, bandwidth of the energy spectrum and beam divergence. Here we introduce the concept of a versatile, miniature linear accelerating module, which, by employing laser-excited electromagnetic pulses directed along a helical path surrounding the laser-accelerated ion beams, addresses these shortcomings simultaneously. In a proof-of-principle experiment on a university-scale system, we demonstrate post-acceleration of laser-driven protons from a flat foil at a rate of 0.5 GeVm^-1, already beyond what can be sustained by conventional accelerator technologies, with dynamic beam collimation and energy selection. These results open up new opportunities for the development of extremely compact and cost-effective ion accelerators for both established and innovative applications.

Particle acceleration with laser and applications

The biological effectiveness of laser driven protons on cells at high dose rate in a single exposure has been studied. V79 cell lines were irradiated with laser driven protons.

Managed Acceleration for In-Memory Database Analytic Workloads

In-Memory Databases (IMDBs), such as SAP HANA, enable new levels of database performance by removing the disk bottleneck and by compressing data in memory. The consequence of this improved performance means that reports and analytic queries can now be processed on demand. Therefore, the goal is now to provide near real-time responses to compute and data intensive analytic queries. To facilitate this, much work has investigated the use of acceleration technologies within the database context. While current research into the application of these technologies has yielded positive results, they have tended to focus on single database tasks or on isolated single user requests. This paper uses SHEPARD, a framework for managing accelerated tasks across shared heterogeneous resources, to introduce acceleration into an IMDB. Results show how, using SHEPARD, multiple simultaneous user queries all receive speed-up by using a shared pool of accelerators. Results also show that offloading analytic tasks onto accelerators can have indirect benefits for other database workloads by reducing contention for CPU resources.

Acceleration Measurements in Reduced Gravity

Thesis (Master's)--University of Washington, 2013

Effects of MRI scan acceleration on brain volume measurement consistency.

PURPOSE: To evaluate the effects of recent advances in magnetic resonance imaging (MRI) radiofrequency (RF) coil and parallel imaging technology on brain volume measurement consistency. MATERIALS AND METHODS: In all, 103 whole-brain MRI volumes were acquired at a clinical 3T MRI, equipped with a 12- and 32-channel head coil, using the T1-weighted protocol as employed in the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative study with parallel imaging accelerations ranging from 1 to 5. An experienced reader performed qualitative ratings of the images. For quantitative analysis, differences in composite width (CW, a measure of image similarity) and boundary shift integral (BSI, a measure of whole-brain atrophy) were calculated. RESULTS: Intra- and intersession comparisons of CW and BSI measures from scans with equal acceleration demonstrated excellent scan-rescan accuracy, even at the highest acceleration applied. Pairs-of-scans acquired with different accelerations exhibited poor scan-rescan consistency only when differences in the acceleration factor were maximized. A change in the coil hardware between compared scans was found to bias the BSI measure. CONCLUSION: The most important findings are that the accelerated acquisitions appear to be compatible with the assessment of high-quality quantitative information and that for highest scan-rescan accuracy in serial scans the acquisition protocol should be kept as consistent as possible over time. J. Magn. Reson. Imaging 2012;36:1234-1240. ©2012 Wiley Periodicals, Inc.

Calcul en n-dimensions sur GPU

Le code source de la libraire développée accompagne ce dépôt dans l'état où il était à ce moment. Il est possible de trouver une version plus à jour sur github (http://github.com/abergeron).

Les algorithmes de haute résolution en tomographie d'émission par positrons : développement et accélération sur les cartes graphiques

La tomographie d’émission par positrons (TEP) est une modalité d’imagerie moléculaire utilisant des radiotraceurs marqués par des isotopes émetteurs de positrons permettant de quantifier et de sonder des processus biologiques et physiologiques. Cette modalité est surtout utilisée actuellement en oncologie, mais elle est aussi utilisée de plus en plus en cardiologie, en neurologie et en pharmacologie. En fait, c’est une modalité qui est intrinsèquement capable d’offrir avec une meilleure sensibilité des informations fonctionnelles sur le métabolisme cellulaire. Les limites de cette modalité sont surtout la faible résolution spatiale et le manque d’exactitude de la quantification. Par ailleurs, afin de dépasser ces limites qui constituent un obstacle pour élargir le champ des applications cliniques de la TEP, les nouveaux systèmes d’acquisition sont équipés d’un grand nombre de petits détecteurs ayant des meilleures performances de détection. La reconstruction de l’image se fait en utilisant les algorithmes stochastiques itératifs mieux adaptés aux acquisitions à faibles statistiques. De ce fait, le temps de reconstruction est devenu trop long pour une utilisation en milieu clinique. Ainsi, pour réduire ce temps, on les données d’acquisition sont compressées et des versions accélérées d’algorithmes stochastiques itératifs qui sont généralement moins exactes sont utilisées. Les performances améliorées par l’augmentation de nombre des détecteurs sont donc limitées par les contraintes de temps de calcul. Afin de sortir de cette boucle et permettre l’utilisation des algorithmes de reconstruction robustes, de nombreux travaux ont été effectués pour accélérer ces algorithmes sur les dispositifs GPU (Graphics Processing Units) de calcul haute performance. Dans ce travail, nous avons rejoint cet effort de la communauté scientifique pour développer et introduire en clinique l’utilisation des algorithmes de reconstruction puissants qui améliorent la résolution spatiale et l’exactitude de la quantification en TEP. Nous avons d’abord travaillé sur le développement des stratégies pour accélérer sur les dispositifs GPU la reconstruction des images TEP à partir des données d’acquisition en mode liste. En fait, le mode liste offre de nombreux avantages par rapport à la reconstruction à partir des sinogrammes, entre autres : il permet d’implanter facilement et avec précision la correction du mouvement et le temps de vol (TOF : Time-Of Flight) pour améliorer l’exactitude de la quantification. Il permet aussi d’utiliser les fonctions de bases spatio-temporelles pour effectuer la reconstruction 4D afin d’estimer les paramètres cinétiques des métabolismes avec exactitude. Cependant, d’une part, l’utilisation de ce mode est très limitée en clinique, et d’autre part, il est surtout utilisé pour estimer la valeur normalisée de captation SUV qui est une grandeur semi-quantitative limitant le caractère fonctionnel de la TEP. Nos contributions sont les suivantes : - Le développement d’une nouvelle stratégie visant à accélérer sur les dispositifs GPU l’algorithme 3D LM-OSEM (List Mode Ordered-Subset Expectation-Maximization), y compris le calcul de la matrice de sensibilité intégrant les facteurs d’atténuation du patient et les coefficients de normalisation des détecteurs. Le temps de calcul obtenu est non seulement compatible avec une utilisation clinique des algorithmes 3D LM-OSEM, mais il permet également d’envisager des reconstructions rapides pour les applications TEP avancées telles que les études dynamiques en temps réel et des reconstructions d’images paramétriques à partir des données d’acquisitions directement. - Le développement et l’implantation sur GPU de l’approche Multigrilles/Multitrames pour accélérer l’algorithme LMEM (List-Mode Expectation-Maximization). L’objectif est de développer une nouvelle stratégie pour accélérer l’algorithme de référence LMEM qui est un algorithme convergent et puissant, mais qui a l’inconvénient de converger très lentement. Les résultats obtenus permettent d’entrevoir des reconstructions en temps quasi-réel que ce soit pour les examens utilisant un grand nombre de données d’acquisition aussi bien que pour les acquisitions dynamiques synchronisées. Par ailleurs, en clinique, la quantification est souvent faite à partir de données d’acquisition en sinogrammes généralement compressés. Mais des travaux antérieurs ont montré que cette approche pour accélérer la reconstruction diminue l’exactitude de la quantification et dégrade la résolution spatiale. Pour cette raison, nous avons parallélisé et implémenté sur GPU l’algorithme AW-LOR-OSEM (Attenuation-Weighted Line-of-Response-OSEM) ; une version de l’algorithme 3D OSEM qui effectue la reconstruction à partir de sinogrammes sans compression de données en intégrant les corrections de l’atténuation et de la normalisation dans les matrices de sensibilité. Nous avons comparé deux approches d’implantation : dans la première, la matrice système (MS) est calculée en temps réel au cours de la reconstruction, tandis que la seconde implantation utilise une MS pré- calculée avec une meilleure exactitude. Les résultats montrent que la première implantation offre une efficacité de calcul environ deux fois meilleure que celle obtenue dans la deuxième implantation. Les temps de reconstruction rapportés sont compatibles avec une utilisation clinique de ces deux stratégies.

Biopacemaker acceleration without increased synchronization by chronic exposure to phorbol myristate acetate

L'activité électrique du coeur est initiée par la génération spontanée de potentiels d'action venant des cellules pacemaker du noeud sinusal (SN). Toute dysfonction au niveau de cette région entraîne une instabilité électrique du coeur. La majorité des patients souffrant d'un noeud sinusal déficient nécessitent l'implantation chirurgicale d'un pacemaker électronique; cependant, les limitations de cette approche incitent à la recherche d'une alternative thérapeutique. La base moléculaire des courants ioniques jouant un rôle crucial dans l'activité du noeud sinusal sont de plus en plus connues. Une composante importante de l'activité des cellules pacemakers semble être le canal HCN, responsable du courant pacemaker If. Le facteur T-box 3 (Tbx3), un facteur de transcription conservé durant le processus de l'évolution, est nécessaire au développement du système de conduction cardiaque. De précédentes études ont démontré que dans différentes lignées cellulaires le Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) active l'expression du gène codant Tbx3 via des réactions en cascade partant de la protéine kinase C (PKC). L'objectif principal de cette étude est de tester si le PMA peut augmenter la fréquence et la synchronisation de l'activité spontanée du pacemaker biologique en culture. Plus précisément, nous avons étudié les effets de l'exposition chronique au PMA sur l'expression du facteur de transcription Tbx3, sur HCN4 et l'activité spontanée chez des monocouches de culture de myocytes ventriculaires de rats néonataux (MVRN). Nos résultats démontrent que le PMA augmente significativement le facteur transcription de Tbx3 et l'expression ARNm de HCN4, favorisant ainsi l'augmentation du rythme et de la stabilité de l'activité autonome. De plus, une diminution significative de la vitesse de conduction a été relevée et est attribuée à la diminution du couplage intercellulaire. La diminution de la vitesse de conduction pourrait expliquer l'effet négatif du PMA sur la synchronisation de l'activité autonome du pacemaker biologique. Ces résultats ont été confirmés par un modèle mathématique multicellulaire suggérant que des fréquences et résistances intercellulaires plus élevée pourraient induire une activité plus stable et moins synchrone. Cette étude amène de nouvelles connaissances très importantes destinées à la production d'un pacemaker biologique efficient et robuste.