Palaiseau - FRANCE Accélérateurs à Plasma-Laser : Principe et Applications Victor Malka Laboratoire d Optique Appliquée, ENSTA-Ecole Polytechnique-CNRS, LOA/ENSTA, 91761 Palaiseau, FRANCE
Collaborateurs : En collaboration avec : O. Lundh, J. Faure, C. Rechatin, A. Ben Ismail, A. Liftshitz Laboratoire d Optique Appliquée, ENSTA-Ecole Polytechnique, CNRS, 91761 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
Des accélérations records : de 0 à 100 MeV sur 1 mm Cavité RF : 1 m Cavité plasma : 1 mm E = 10-100 MeV/m E = 100-1000 GeV/m V. Malka et al., Science 2002
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)
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
Montage expérimental avec 2 faisceaux laser ne a L x Faisceau d injection 130 mj, 30 fs φfwhm=28 23 µm I ~ 4 10 17 W/cm2 Faisceau pompe 670 mj, 30 fs, φfwhm=21 18 µm I ~ 4 1018 W/cm2 http://loa.ensta.fr/ UMR 7639
Suivons les impulsions laser 7
Faisceaux stables @ 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
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 2006 3ème Forum "Lasers & Plasmas Presqu'île de Giens, 15-19 juin 1009 9
Contrôle de la charge et de la dispersion en énergie avec la densité du plasma 2 mm gas jet N e =1 10 19 cm -3 N e =1.2 10 19 cm -3 N e =1.35 10 19 cm -3 Densité N e =1.5 10 19 cm -3 N e =1.6 10 19 cm -3 C.Rechatin et al.,prl 2009 10
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 2010 11
Dépôt d énergie : Photon X, électrons et VHE (very high energy) électrons, et ions 12
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 2010 13
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
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, 3315-3328 (2009) En coll. Avec DKFZ
Application à la science des matériaux: radiographie γ Glinec et al., PRL 94 025003 (2005)
Radiographie γ source ponctuelle de 400 microns en 2005 et 50 microns en 2009 20mm 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 94 025003 (2005), A. Ben Ismail, soumis à APL
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 9100 500 1800 2.0-5.0 Ion Implantation 9500 500 1400 1.5-2.5 Electron cutting and welding 4500 100 150 0.5-2.5 Electron beam and X-ray irradiators 2000 75 130 0.2-8.0 Radioisotope production (incl. PET) 550 50 70 1.0-30 Non-destructive testing (incl. security) 650 100 70 0.3-2.0 Ion beam analysis (incl. AMS) 200 25 30 0.4-1.5 Neutron generators (incl. sealed tubes) 1000 50 30 0.1-3.0 Total 27500 1400 3680 18
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