Accélérateurs à Plasma-Laser : Principe et Applications

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1 Palaiseau - FRANCE Accélérateurs à Plasma-Laser : Principe et Applications Victor Malka Laboratoire d Optique Appliquée, ENSTA-Ecole Polytechnique-CNRS, LOA/ENSTA, Palaiseau, FRANCE

2 Collaborateurs : En collaboration avec : O. Lundh, J. Faure, C. Rechatin, A. Ben Ismail, A. Liftshitz Laboratoire d Optique Appliquée, ENSTA-Ecole Polytechnique, CNRS, Palaiseau, France E. Lefebvre, X. Davoine CEA/DAM Ile-de-France, France Contrats : ANR/ACCEL1, FP6 CARE, FP7 EuroLEAP & LAPTECH, DGA, ERC Paris, RTRA Appeal

3 Des accélérations records : de 0 à 100 MeV sur 1 mm Cavité RF : 1 m Cavité plasma : 1 mm E = MeV/m E = GeV/m V. Malka et al., Science 2002

4 Comment exciter une onde plasma relativiste? Le sillage laser Onde plasma Impulsion laser F=- I Condition de résonance: τ laser T p / 2 => laser à impulsion courte v φ epw=v g laser => proche de c Tajima and Dawson, PRL (1979)

5 Etude du régime de collision d impulsions laser Le premier faisceau laser crée la structure accélératrice. Le deuxième faisceau laser chauffe et injecte les électrons dans un tout petit volume Pump beam électrons piégés Injection beam Beatwave Onde Plasma Acceleration Injection phase

6 Montage expérimental avec 2 faisceaux laser ne a L x Faisceau d injection 130 mj, 30 fs φfwhm=28 23 µm I ~ W/cm2 Faisceau pompe 670 mj, 30 fs, φfwhm=21 18 µm I ~ W/cm2 UMR 7639

7 Suivons les impulsions laser 7

8 Faisceaux 200 MeV: Statistiques sur 30 tirs Statistique (30 tirs): E = 206 +/- 11 MeV, Q pic = 16.5+/- 4.7 pc, δe = 14 +/- 3 MeV, δe/e = 6% Nb: très peu d électrons à basse énergie δe/e=5% limitée ici par le spectromètre

9 Contrôle de l énergie du faisceau d électrons Z inj =225 µm pompe injection Z inj =125 µm Z inj =25 µm Injection en fin pompe injection Z inj =-75 µm Z inj =-175 µm Injection au centre pompe injection Z inj =-275 µm Z inj =-375 µm Injection au début J. Faure et al., Nature ème Forum "Lasers & Plasmas Presqu'île de Giens, juin

10 Contrôle de la charge et de la dispersion en énergie avec la densité du plasma 2 mm gas jet N e = cm -3 N e = cm -3 N e = cm -3 Densité N e = cm -3 N e = cm -3 C.Rechatin et al.,prl

11 Contrôle de la charge et de la dispersion en énergie avec l intensité du faisceau d injection a 1 =0.4 a 1 =0.1 Charge de 60 pc à 5 pc E de 20 à 5 MeV C.Rechatin et al.,njp

12 Dépôt d énergie : Photon X, électrons et VHE (very high energy) électrons, et ions 12

13 Dosimétrie (en collaboration avec le groupe du Prof W. De Neve, Univ. Gent) Bloc de polystyrène (10 mm d épaisseur) Détecteur Fuji Film (40x40 mm 2 ) Fantôme placé à 430 mm de la source Mesure (en haut), simulations (en bas) E pic =120 MeV E=20 MeV Q pic =30pC Θ=4.5mrad D max =1Gy/tir Mélusyn, Université P. & M. Curie, 14 avril

14 Distribution du dépôt de dose Vue 3 D du dépôt de dose Simulation et mesure des profiles de dose selon les plans horizontaux et verticaux 14

15 Application à la radiothérapie: amélioration des traitements du cancer de la prostate Isodose : coupe transverse dans le cas du cancer de la prostate Les faisceaux d électrons à 250 MeV permettraient une amélioration de 19% du traitement du cancer par rapport à la technique de modulation d intensité avec des rayons X à 6 MeV. T. Fuchs, et al. Phys. Med. Biol. 54, (2009) En coll. Avec DKFZ

16 Application à la science des matériaux: radiographie γ Glinec et al., PRL (2005)

17 Radiographie γ source ponctuelle de 400 microns en 2005 et 50 microns en mm Coupe 3 D de l objet : Mesure : 2004 Mesure : 2009 Objet sphérique de tungstene avec des structures sinusoidales Source size estimation : 50 µm Glinec et al., PRL (2005), A. Ben Ismail, soumis à APL

18 Le maché industriel des accélérateurs: un secteur en plein évolution Application Total systems (2007) approx. System sold/yr Sales/yr ($M) System price ($M) Cancer Therapy Ion Implantation Electron cutting and welding Electron beam and X-ray irradiators Radioisotope production (incl. PET) Non-destructive testing (incl. security) Ion beam analysis (incl. AMS) Neutron generators (incl. sealed tubes) Total

19 Conclusions / perspectives RESUME : Les accélérateurs à laser plasmas sont devenus une réalité! Ils sont stables et compacts Ils produisent des faisceaux d électrons mono énergétiques d énergie, de charge controlâble de/e 1 %, charge 10-50pC, durée (3 fs) PERSPECTIVES : Conception de futurs accélérateurs à plusieurs GeV Conception de faisceaux X très brillants : XFEL Applications à développer : - pour la chimie, - la radiothérapie - la radiobiologie - la science des matériaux V. Malka et al., Nature Physics 2008