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 ?