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Jérôme Faure Victor Malka, Sven Fritzler, Mauro Manclossi, Joao Santos Groupe Sources de Particules par Laser Laboratoire LOA, ENSTA - École Polytechnique.

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1 Jérôme Faure Victor Malka, Sven Fritzler, Mauro Manclossi, Joao Santos Groupe Sources de Particules par Laser Laboratoire LOA, ENSTA - École Polytechnique - CNRS, Palaiseau, France Accélération de protons par laser

2 Plan de lexposé Introduction à la physique de linteraction laser-cible solide Mécanismes daccélération de protons Historique et état de lart des résultats expérimentaux Futurs challenges et perspectives/extrapolations Applications des faisceaux de protons Protonthérapie Motivations / état de lart protons par laser: une alternative moins coûteuse? Radio-isotopes pour le PET

3 Schéma de principe cible Électrons chauds protons Plasma face avant Laser Laser ultra-intense I > W/cm 2 Matière ionisée Électrons relativistes Feuille mince (< 100 µm) Plastic ou métal < 100 µm !! Champs accélérateurs: 100 GV/m – 1 TV/m 10 4 à 10 5 fois + élevés que les accélérateurs traditionnels

4 solide Cible solide: un convertisseur dénergie Accélération délectrons (pré-plasma, interaction en face avant) Transport des électrons dans la cible (champs B, ionisation…) Accélération des protons (face avant et face arrière) pré-plasma Laser: impulsion courte sur un piédestal long (ns) 1 ns, W/cm 2 < 1ps, W/cm 2 E L (10 J) E p =N p ×T p = E e =0.1% à 10 %

5 Accélération en face avant Laser Surface critiquePlasma sur-dense Champ E Faisceau de protons Energie max des protons: E M ~ (I L × ) 1/2

6 Accélération en face arrière Surface solide/videsolide Champ E=TV/m Faisceau de protons + électrons Champ E ~ (T e ×n e ) 1/2 Phénomène dynamique

7 Premières expériences Livermore National Lab (US 2000) Rutherfold Lab (UK 2000) Dans le cadre de la fusion inertielle Gros lasers: > 100 J par tir en 1 ps. Un tir toutes les minutes Il est impossible de parler dune source de protons !

8 Salle laser Salle dinteraction Laser VULCAN au Rutherford, UK

9 Résultats du Rutherford In front of target – blow-off direction 5 cm BACK 5 cm Behind the target – straight through direction FRONT

10 Comment générer une source de p+? Gros lasers: >10 12 protons jusquà 50 MeV lasers de ~1 ps, > 100 J 1 tir toutes les quarante minutes Mais paramètre important: lintensité laser Intensité constante: baisser E et baisser Technologie laser Titane saphir: table top, 2 J en 30 fs, 10 tirs par seconde ! Gagner sur deux points: Compacité du laser Taux de répétition du laser

11 5-pass Amp. : 200 mJ 8-pass pre-Amp. : 2 mJOscillator : 2 nJ, 15 fsStretcher : 500 pJ, 400 ps Après Compression : 2 J, 30 fs, 0.8 m, 10 Hz, m Nd:YAG : 10 J 4-pass, Cryo. cooled Amp. : < 3.5 J, 400 ps Laser Salle Jaune

12 compresseur Chambres dinteraction

13

14 Dans la chambre dinteraction laser protons

15 Premiers faisceaux de protons au LOAPremiers résultats au LOA Irradiation à incidence normale Cibles de 6 µm de CH (plastic) ou dAluminium Protons avec des énergies 10 MeV Potentiellement une source à 10 Hz !! Divergence angulaire Plastic Target Aluminum Target Spectre

16 6 n c Simulations PIC 2D accélération face avant et accélération face arrière toutes deux présentes

17 Détails de la physique à comprendre Mackinnon et al, PRL 2002 Compréhension à affiner: Nouvelle physique (riche) physique de lextrême (complexe) qualité de la cible: plastic/métal épaisseur cible / durée impulsion énergie laser / intensité laser cibles exotiques (bi-couches…) faisceaux de protons ultra-courts (effets biologiques ?) Optimisation de tous ces paramètres

18 E. Fourkal et al. Medical physics 29, 2788 (2003) Extrapolations avec simulations PIC Cible: pré-plasma de 7 µm, cible solide de 1 µm Laser: 50 fs, 50 J (PW), I=10 21 W/cm 2 Développement des lasers PW compacts et à 10 Hz en cours Projets en cours Laser PW ultra-court: >10 11 protons jusque 300 MeV

19 Pic de Bragg: précision longitudinale sur la dose Faible diffusion: précision latérale sur la dose (99% de la radiotherapie est faite avec des Protonthérapie: motivations

20 Dépôt de lénergie dans une région très localisée du patient.. E 1

21 Synchrotron (Loma Linda) : max p energy : 250 MeV period : 2.2 s size : 12 m Cyclotron (IBA-NPTC) : max p energy : 250 MeV pulse rate : CW power: 400 KW size : 4 m (diameter) weight : 220 tons Protonthérapie: accélérateurs

22 Déplacement du faisceau: gantry Positionnement Déplacement du patientOU

23 Protonthérapie: projet RTPC

24 Grosses installations Installations dans des centres spécialisés ou universitaires machines qui fonctionnent en routine 1 accélérateur (synchrotron & cyclotron) + 3 to 5 salles de traitement 1 to 3 gantries >1000 patients/ an Relativement peu dinstallations (seulement 2 en France) Coût > 50 M (accélérateur 20 M, bâtiment radio-protégé 20 M, positionnement 20 M) Protonthérapie: état de lart

25 Protons par laser appliqués à la protonthérapie ? Challenges: Obtenir des protons de MeV par laser Obtenir suffisamment de protons pour délivrer les doses requises Développement de laser PW compacts - Stabilité de la source laser - Diminution du piédestal pour utiliser des cibles fines Problèmes à résoudre: - Stabilité de la source - Taux de répétition Avantages potentiels: Coût: GAIN DUN FACTEUR 5 ? - Laser PW < 3 M - zone radio-protégée beaucoup plus petite

26 Protons par laser: modulation dintensité profondeur Energie Nb p+ Dose requiseSpectre requisSpectre possible (simulations) BBB bloc source collimateur masque p+ e- Sélecteur de particules vers patient Doses possibles de 10 aine de Gy/min* Suffisant pour la protonthérapie *Fourkal et al, Med. Phys. 30, p (2003)

27 Conclusion Accélération de protons par laser: >10 12 protons jusque 50 MeV sur de grosses installations >10 10 protons jusque 10 MeV sur des installations compactes à 10 Hz premières sources de protons laser-plasma Développement dune source de protons pour la protonthérapie -nouvelle physique des intensités extrêmes: compréhension -optimisation de linteraction (choix de paramètres laser/cible) -protons à 250 MeV: développement de lasers PW -aspect biologique: dose déposée par des paquets courts de protons Futur -Projets de laser PW à 10 Hz en cours au LOA -Amélioration du contraste du laser pour laccélération de protons -Nombreuses expériences de production de protons en cours et/ou prévues

28 Autres projets: sources délectrons W=0 à 200 MeV (W=10 MeV v=0.99c) Utilisation de ces électrons à des fins de radiothérapie ?


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