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

Plan de l’exposé Introduction à la physique de l’interaction laser-cible solide Mécanismes d’accélération de protons Historique et état de l’art des résultats expérimentaux Futurs challenges et perspectives/extrapolations Applications des faisceaux de protons Protonthérapie Motivations / état de l’art protons par laser: une alternative moins coûteuse? Radio-isotopes pour le PET

Schéma de principe < 100 µm !! Électrons chauds Plasma face avant cible Électrons chauds protons Plasma face avant Laser Champs accélérateurs: 100 GV/m – 1 TV/m 104 à 105 fois + élevés que les accélérateurs traditionnels Laser ultra-intense I > 1018 W/cm2 Matière ionisée Électrons relativistes Feuille mince (< 100 µm) Plastic ou métal

Cible solide: un convertisseur d’énergie Laser: impulsion courte sur un piédestal long (ns) 1 ns, 1013 W/cm2 < 1ps, 1019 W/cm2 solide pré-plasma EL (10 J) Ep=Np×Tp=h Ee h=0.1% à 10 % Accélération d’électrons (pré-plasma, interaction en face avant) Transport des électrons dans la cible (champs B, ionisation…) Accélération des protons (face avant et face arrière)

Accélération en face avant Laser Surface critique Plasma sur-dense Faisceau de protons Champ E Energie max des protons: EM ~ (IL×l)1/2

Accélération en face arrière solide Surface solide/vide Champ E=TV/m Faisceau de protons + électrons Champ E ~ (Te×ne)1/2 Phénomène dynamique

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 20-40 minutes Il est impossible de parler d’une source de protons !

Laser VULCAN au Rutherford, UK Salle laser Salle d’interaction

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

Comment générer une source de p+? Gagner sur deux points: Compacité du laser Taux de répétition du laser Gros lasers: >1012 protons jusqu’à 50 MeV lasers de ~1 ps, > 100 J 1 tir toutes les quarante minutes Mais paramètre important: l’intensité laser Intensité constante: baisser E et baisser t Technologie laser Titane saphir: table top, 2 J en 30 fs, 10 tirs par seconde !

Laser “Salle Jaune” Oscillator : 2 nJ, 15 fs Stretcher : 500 pJ, 400 ps 8-pass pre-Amp. : 2 mJ Nd:YAG : 10 J 5-pass Amp. : 200 mJ 4-pass, Cryo. cooled Amp. : < 3.5 J, 400 ps Après Compression : 2 J, 30 fs, 0.8 mm, 10 Hz, 10 -7 2 m

compresseur Chambres d’interaction

Dans la chambre d’interaction laser protons

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

accélération face avant et accélération face arrière Simulations PIC 2D 6 nc accélération face avant et accélération face arrière toutes deux présentes

Détails de la physique à comprendre Mackinnon et al, PRL 2002 Compréhension à affiner: Nouvelle physique (riche) physique de l’extrême (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

Extrapolations avec simulations PIC Cible: pré-plasma de 7 µm, cible solide de 1 µm Laser: 50 fs, 50 J (PW), I=1021 W/cm2 Laser PW ultra-court: >1011 protons jusque 300 MeV Développement des lasers PW compacts et à 10 Hz en cours Projets en cours E. Fourkal et al. Medical physics 29, 2788 (2003)

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

Protonthérapie: motivations Dépôt de l’énergie dans une région très localisée du patient tumeur 70-200 MeV Protons .. Dose requise Nb p+ E1<E2 profondeur Energie

Protonthérapie: accélérateurs 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

Positionnement Déplacement du faisceau: gantry Déplacement du patient OU

Protonthérapie: projet RTPC

Protonthérapie: état de l’art 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 d’installations (seulement 2 en France) Coût > 50 M€ (accélérateur 20 M€, bâtiment radio-protégé 20 M€, positionnement 20 M€)

Protons par laser appliqués à la protonthérapie ? Challenges: Obtenir des protons de 250-300 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 D’UN FACTEUR 5 ? Laser PW < 3 M€ zone radio-protégée beaucoup plus petite

Protons par laser: modulation d’intensité Dose requise Spectre requis Spectre possible (simulations) profondeur Energie Nb p+ B bloc source collimateur masque p+ e-  Sélecteur de particules vers patient Doses possibles de 10aine de Gy/min* Suffisant pour la protonthérapie *Fourkal et al, Med. Phys. 30, p. 1660 (2003)

Conclusion Accélération de protons par laser: >1012 protons jusque 50 MeV sur de grosses installations >1010 protons jusque 10 MeV sur des installations compactes à 10 Hz premières sources de protons laser-plasma Développement d’une source de protons pour la protonthérapie -nouvelle physique des intensités extrêmes: compréhension -optimisation de l’interaction (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 l’accélération de protons -Nombreuses expériences de production de protons en cours et/ou prévues

Autres projets: sources d’électrons jet de gaz plasma laser faisceau d ’électrons W=0 à 200 MeV (W=10 MeV  v=0.99c) Utilisation de ces électrons à des fins de radiothérapie ?