Jérôme Faure Victor Malka, Sven Fritzler, Mauro Manclossi, Joao Santos

1. 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

2. 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

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

4. < 1ps, 1019 W/cm2 Laser: impulsion courte sur un piédestal long (ns) 1 ns, 1013 W/cm2 pré-plasma solide h=0.1% à 10 % Ep=Np×Tp=h Ee EL (10 J) 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)

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

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

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

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

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

10. 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 !

11. 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

12. Chambres d’interaction compresseur

14. laser Dans la chambre d’interaction protons

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

16. 6 nc Simulations PIC 2D accélération face avant et accélération face arrière toutes deux présentes

17. Optimisation de tous ces paramètres Mackinnon et al, PRL 2002 Détails de la physique à comprendre • 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 ?)

18. 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)

19. 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)

20. 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

21. 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

22. Positionnement Déplacement du faisceau: gantry Déplacement du patient OU

23. Protonthérapie: projet RTPC

24. 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€)

25. 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

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

27. 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

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