Jérôme Faure Victor Malka, Sven Fritzler, Mauro Manclossi, Joao Santos
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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 - CNRS, Palaiseau, France
Accélération de protons par laser
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
cible
Électrons chauds
protons
Plasma face avant
Laser
Laser ultra-intenseI > 1018 W/cm2 Matière ioniséeÉlectrons relativistes
Feuille mince (< 100 µm)Plastic ou métal
< 100 µm !!
Champs accélérateurs:100 GV/m – 1 TV/m104 à 105 fois + élevésque les accélérateurstraditionnels
solide
Cible solide: un convertisseur d’énergie
• 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)
pré-plasma
Laser: impulsion courte sur un piédestal long (ns)
1 ns, 1013 W/cm2
< 1ps, 1019 W/cm2
EL (10 J) Ep=Np×Tp=Ee
=0.1% à 10 %
Accélération en face avant
Laser Surface critique Plasma sur-dense
Champ E
Faisceau de protons
Energie max des protons: EM ~ (IL×)1/2
Accélération en face arrière
Surface solide/videsolide
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 !
Salle laser
Salle d’interaction
Laser VULCAN au Rutherford, UK
Résultats du Rutherford
In front of target– “blow-off”
direction
5 cm
5 cm
BACK
5 cm
5 cm
Behind the target –“straight through”
direction
FRONT
Comment générer une source de p+?
• 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
1
S
EI
• 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
5-pass Amp. : 200 mJ
8-pass pre-Amp. : 2 mJ
Oscillator : 2 nJ, 15 fs
Stretcher : 500 pJ, 400 ps
Après Compression :2 J, 30 fs, 0.8 m,
10 Hz, 10 -72 m
Nd:YAG : 10 J
4-pass, Cryo. cooled Amp. :< 3.5 J, 400 ps
Laser “Salle Jaune”
compresseur
Chambresd’interaction
Dans la chambre d’interaction
laser
protons
Premiers faisceaux de protons au LOAPremiers résultats au LOA
• Irradiation à incidence normale • Cibles de 6 µm de CH (plastic) ou d’Aluminium
Protons avec des énergies 10 MeVPotentiellement une source à 10 Hz !!
Divergence angulaire
Plastic Target
Aluminum Target
Spectre
6 nc
Simulations PIC 2D
accélération face avantet 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
E. Fourkal et al. Medical physics 29, 2788 (2003)
Extrapolations avec simulations PIC
Cible: pré-plasma de 7 µm, cible solide de 1 µmLaser: 50 fs, 50 J (PW), I=1021 W/cm2
• Développement des lasers PW compacts et à 10 Hz en cours
• Projets en cours
Laser PW ultra-court:>1011 protons jusque 300 MeV
• 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
Dépôt de l’énergie dans une région très localisée du patient
..
E1<E2
tumeur
70-200 MeVProtons
Energie
Nb p+
Protonthérapie: motivations
profondeur
Dose requise
• 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
Déplacement du faisceau:gantry
Positionnement
Déplacement du patient OU
Protonthérapie: projet RTPC
• 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€)
Protonthérapie: état de l’art
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
profondeur Energie
Nb p+
Dose requise Spectre requis Spectre possible(simulations)
B B B
blocsource
collimateur
masque
p+
e-
Sélecteur de particules
vers patient
Doses possiblesde 10aine de Gy/min*
Suffisant pourla 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
W=0 à 200 MeV(W=10 MeV v=0.99c)
Utilisation de ces électrons à des fins de radiothérapie ?