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Palaiseau - FRANCE

Accélérateurs à Plasma-Laser : Principe et Applications

Victor Malka

Laboratoire d’Optique Appliquée, ENSTA-Ecole Polytechnique-CNRS,

LOA/ENSTA, 91761 Palaiseau, FRANCE

Mesure Expo Vision, Porte de Versailles, 1-3 Juin 2010


E. Lefebvre, X. DavoineCEA/DAM Ile-de-France, France

O. Lundh, J. Faure, C. Rechatin, A. Ben Ismail, A. LiftshitzLaboratoire d’Optique Appliquée, ENSTA-Ecole Polyte chnique,

CNRS, 91761 Palaiseau, France

En collaboration avec :

Contrats : ANR/ACCEL1, FP6 CARE, FP7 EuroLEAP & LAP TECH, DGA,ERC Paris, RTRA Appeal

Collaborateurs :



E = 10-100 MeV/m

Des accélérations records : de 0 à 100 MeV sur 1 mm

Cavité RF : 1 m Cavité plasma : 1 mm

E = 100-1000 GeV/m

V. Malka et al., Science 2002



Comment exciter une onde plasma relativiste ?

Condition de résonance:τlaser≈ Tp / 2

=> laser à impulsion courte

Le sillage laser

Tajima and Dawson, PRL (1979)vφepw=vg laser => proche de c

Impulsion laser

Onde plasma

F=- ∇I



Le premier faisceau laser crée la structure accélér atrice. Le deuxième faisceau laser chauffe et injecte les électrons dans un tout petit volume

Onde Plasma

Pump beam Injection beam

Beatwave

Injection phase

électrons piégés

Acceleration phase

Etude du régime de collision d’impulsions laser



Montage expérimental avec 2 faisceaux laser

Lanex

Faisceau d’injection130 mJ, 30 fs φfwhm =28× 23 µmI ~ 4×1017 W/cm 2

Faisceau pompe670 mJ, 30 fs, φfwhm =21×18 µmI ~ 4×1018 W/cm 2


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Suivons les impulsions laser …




Statistique (30 tirs):E = 206 +/- 11 MeV,

Qpic = 16.5+/- 4.7 pC, δE = 14 +/- 3 MeV,δE/E = 6%

Nb: très peu d’électrons à basse énergieδE/E=5% limitée ici par le spectromètre

Faisceaux stables @ 200 MeV: Statistiques sur 30 tirs


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pompe injection

pompe injection

Injection en fin

Injection au début

pompe injection

Injection au centre

Zinj=225 µm

Zinj=125 µm

Zinj=25 µm

Zinj=-75 µm

Zinj=-175 µm

Zinj=-275 µm

Zinj=-375 µm

J. Faure et al., Nature 2006


3ème Forum "Lasers & Plasmas Presqu'île de Giens, 15-19 juin 1009

Contrôle de l’énergie du faisceau d’électrons

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Contrôle de la charge et de la dispersion en énergie avec la densité du plasma

Den

sité

Ne=1.6×1019 cm -3

Ne=1.5×1019 cm -3

Ne=1.35×1019 cm -3

Ne=1.2×1019 cm -3

Ne=1×1019 cm -3

2 mm gas jet


Mesure Expo Vision, Porte de Versailles, 1-3 Juin 2010C.Rechatin et al.,PRL 2009

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Charge de 60 pC à 5 pC

∆E de 20 à 5 MeV

a1=0.4

a1=0.1

Contrôle de la charge et de la dispersion en énergie avec l’intensité du faisceau d’injection


Mesure Expo Vision, Porte de Versailles, 1-3 Juin 2010C.Rechatin et al.,NJP 2010


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



Dosim étrie (en collaboration avec le groupe du Prof W. De Neve, Univ. Gent)

Bloc de polystyrène (10 mm d’épaisseur)Détecteur Fuji Film (40x40 mm2)Fantôme placé à 430 mm de la source

Epic=120 MeV∆E=20 MeVQpic=30pCΘ=4.5mradDmax=1Gy/tir

Mesure (en haut), simulations (en bas)

Mélusyn, Université P. & M. Curie, 14 avril 2010


Distribution du dépôt de dose

Simulation et mesure des profiles de doseselon les plans horizontaux et verticaux

Vue 3 D du dépôt de dose



Isodose : coupe transverse dans le cas du cancer de la prostate

Application à la radiothérapie: améliorationdes traitements du cancer de la prostate

Les faisceaux d’électrons à 250 MeV permettraient un e amélioration de 19% du traitement du cancer par rapport à la techniq ue de modulation d’intensité avec des rayons X à 6 MeV.

T. Fuchs, et al. Phys. Med. Biol. 54, 3315-3328 (20 09)En coll. Avec DKFZ



Application à la science des mat ériaux: 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

Source size estimation : 50 µm

Glinec et al., PRL 94 025003 (2005), A. Ben Ismail, soumis à APL


Objet sphérique de tungstene avec

des structures sinusoidales


ApplicationTotal 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

Le maché industriel des accélérateurs: un secteur en plein évolution



Conclusions / perspectives

RESUME :• Les accélérateurs à laser plasmas sont devenus une réalité!• Ils sont stables et compacts • Ils produisent des faisceaux d’électrons mono énergétiquesd’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


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