sommaire

• Introduction

• Caractéristiques du faisceaud’ions du LULI

• Modèle simple

• Applications

• conclusions

Accélération de Protons et d’Ionsproduits par laser intense

• Observation de faisceaux intensed’ions sur le Petawat LLNL– Faisceau haute énergie >20MeV– de bonne qualité.

• Ouvre de nouvelles perspectives– diagnostiques Plasma– Radiographie par proton– injecteur– Production de plasma chaud et

dense– applications médicales

• radio-isotopes• Protons therapie• Hadrontherapie

Rear-surface ion accelerationSnavely et al, PRL 85, 2945 (2000)

- + - + - +- +- + - + - + - +

+ -+ -+ -+ -

II.III.

- - - - - - - - - - - - - - --CD2

I.

Incidentlaser

I. Expansion thermiqueTi ~ 5-10 x Te

Surface (e.g., CaF)

F7+ ion

cible

e- D+ ion

III. Target Normal SheathAcceleration

Ei ~ 10 x Te

• Electrons pénétrent la cible &forment une gaine,sur la surface

non-irradiée

• fort champ electrostatic quiionise la surface

(Eo ~ kT / eld ~ MV/mm)

• Rapid (~ps) acceleration dansla gaine produisant un faisceau

d’ions

II. Front-surface separation de chargeStatic limit:e Ti ~ Te

Accélération de protons et d’ions par laser ultra-intense

3 mécanismes principaux d’accélération

I>1018W/cm2

Vos~1MeV

Accélération d’ions par laser n’est pas unnouveau phénomène

L’observation d’ions énergétiques dans les plasmas créés par laserest bien connue et ces ions so%%%nt même utilisés commediagnostique pour mesurer la température des électronschauds

S.J. Gitomer et al., Phys. Fluids 29, 2679 (1986) 100 ps, CO2, 10 µm

z

nnion

ncold

nhot

z

nnion ~ exp(- z / lo)

nfroid

nchaud ++

Expansion ambipolaire quasi neutre

laser

cible

Chauffage

Lasers subpicoseconde

• La technique d’amplification laser par dérivede fréquence a permis d’obtenir de très fortesintensités sur cible:– I >1019W/cm2 τ<1ps

• L’énergie d’oscillation des électrons dans lechamp laser est devenue très importante.

– Eosc =1MeV pour I = 1019W/cm2

• Ces intensités laser permettent d’obtenir desélectrons d’énergie très élevée qui traversent descibles épaisses.

• L’accélération des ions provenant de laface arrière de la cible (non perturbée parle laser) ouvre de nouvelles perspectives

laser Electronschauds

Longueur de Debye

Laser Térawatt au LULI

• Laser– Compresseur sous vide– Compresseur à l’air– E = 20J sur cible– durée d’impulsion τ= 300fs– Un tir toutes les 20 minutes

• Miroir adaptatif pour corriger lesdéfauts de phase du faisceau

• Contraste– A.S.E. Iase/I =10-7

– Pré-impulsion Iprepulse/I =10-9

• Focalisation– F/3 parabole

Tache focale

39.5 % of theenergy withinthe first lobe

FWHM=6 microns

1,E-12

1,E-10

1,E-08

1,E-06

1,E-04

1,E-02

1,E+00-120 -100 -80 -60 -40 -20 - 20 40 60

Autoco 3ω - delay (ps)

Expériences réalisées au LULI

• Interaction I= 2 1019 W/cm2

– Cibles minces ~10 - 25 µm

• Diagnostics– Energie des électrons et protons

– Spectromètre magnétique– Parabole de Thomson

– Mesure par Interférométrie de l’état de la cible– Distribution spatiale des protons

• film radiochromique

Spectre en énergie des électrons et desprotons

M. Allen et al.,Phys. Plasmas 10, 3283 (2003)

e-protons

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 2 2 24 26 28 30-5

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

Data: E1751AUNC AL_ dNdEM odel: ExpDecay1 Chi ^2 = 0 .1162 3R^2 = 0 .9741 9 y0 2.06668 ±0.04139x0 1.80196 ±--A1 46.11389 ±--t1 2.08201 ±0.02164

dN/d

E (

arb.

uni

ts)

Electron Energy (MeV)

Température électronique mesurée deTempérature électronique mesurée de1.6 1.6 MeVMeV Correspond à l’énergie Correspond à l’énergiepondéromotricepondéromotrice de l’intensité laser de l’intensité laserLes protons les plus énergétiquesLes protons les plus énergétiquessont normaux à la ciblesont normaux à la cibleLe spectre en énergie montre uneLe spectre en énergie montre uneénergie maximuménergie maximum

D’où proviennent les protonsobservés ?

• Dans une enceinte à vide siaucune précaution n’est priseun dépôt d’hydrocarbures’installe sur la cible

• Les particules ayant le plusgrand Q/m sont favoriséesdans l’accélération H+

Dépôtd’hydrocarbure

Laser

L ’état de la surface arrière de la cible modifiele faisceau

Surface roughness scale ~5-10 µm

20 µm

20 µm

48µm Au

laser

10

-5

0

5

10

-10 -5 0 5 10

8 MeV layer

-15

-10

-5

0

5

10

15

-15 -10 -5 0 5 10 15

6.5 MeV layer

-15-10-505

1015

-15 -10 -5 0 5 10 15 20-20-20

20

4.5 MeV layer

Angle (degrees)

Short PulseLaser Film

DetectorStack

(70 mm from target)Au grating

60 µm thick200 lines/mm

10 µm

“Nano-beams” of MeV protons produced by short-pulse laserirradiation of a thin-foil optical grating

Structure spatiale du faisceau

Taille de Source [µm]

-150 -100 -50 0 50 100 150

20

40

60

80

100

120

140

Inte

nsity

[a.u

.] 3 MeV

6 MeV

8 MeV10 MeV

1012 protons par tir3.5 1013 protons/cm2 à 1cm

10

-5

0

5

10

-10 -5 0 5 10

Au grating 60 µm thick200 lines/mm

Mesure de la taille de source

0123456789

10

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

E/E(max)

Sour

ce s

ize/

Targ

et th

ickn

ess

50 m20 mu10 mu10 mu20 mu

La taille de source augmente avec l‘épaisseur de la cible et pour les protons de faible énergie

Mesure de la Divergence du faisceau

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2E/E(max)

Dive

rgen

ce

La divergence du faisceau ne depend pas de l‘épaisseur de la cible

“Nano-faisceau” de protons d’énergie >10 MeV sont produits par descibles structurées

Laser accelerated protons

Short PulseLaser

Film Detector

Stack(71 mm from

target)2-D Au grating10 µm thick

125 lines/mm

8 MeV protons

Emittance du faisceau de protons εΝ < 0.006 π mm-mrad

C’est 100x fois mieux que lesaccelerateur conventionnel RFLinac εΝ ~ 1 π mm-mrad

Profil du réseau

Depthµm 10 mm8 MeV protons

Proton Image in RCF71 mm target-film dist., apparent mag ~1000x

8 µm unit cell(300 nm deep)

~1 µm sub-cell

structures(30 nm deep)

Caractéristiques du faisceau

• Emittance: < 0.006 π mm-mrad (cf. RF Linacs ~ 1 π mm-mrad)

• Dispersion en énergie: 100%

• Nombre de charge : 1011 – 1013 protons/ions

• Diamètre de la Source: ~50 µm (fwhm)

• Courant: >100 kA (at source)

• Taux de répétition: déterminé par le laser

• Rendement Laser-ion : >> 1% (4-20% observé)

Technique pour accélérer différentstypes d’ions

• Les protons observésproviennent d’impuretésqui se déposent sur la cible

• Utilisation de cibleschauffées pour éliminer lesimpuretés se trouvant sur laface arrière de la cible

Laser

Dépôt des ions quel’on veut accélérer

Chauffage de la cible parun fort courant electrique

Un ion Spécifique peut être produit

Proton Beams

Protons

Dépotd’hydrocarbure

et d’eau

Carbon Ion Beams

Carbon Ions

C1+

C2+

C3+ C4+

1 µm carbon layer

Fluorine Ion Beams

Fluorine Ions

F4+

F5+

F6+

F7+

1 µm CaF2

Spectre en énergie des ions F7+

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0107

108

109

1010

1011

F7+ heated F7+ unheated

Ions

/ M

eV

Energy [MeV]

Emax > 5MeV/nucléon

Equations d’évolution

P. Mora, PRL, 90, 18 (2003)

NiTene

Un plasma semi infini sedétend dans le vide

•Les ions sont froids•Te constant•Ne distribution deBolzman

Résultats du model

P. Mora, PRL, 90, 18 (2003)

dN/d

E

Champs électrique

Spectre en Energie

Le spectre en énergie des ions a une valeur maximum

τ variable and I constant

τlaser (ps)Max

imum

pro

ton

éner

gie

(MeV

)

I = 2 1018 W.cm-2I = 1 1019 W.cm-2I = 6 1019 W.cm-2

(b)

10.1 1 10

1

10

0.1 1 100

5

10

15

20

25

0 2 1019 4 1019 6 1019

Laser intensity (W.cm-2)

τ =300fs I variable

Max

imum

pro

ton

éner

gie

(MeV

)

Étude du faisceau de proton en fonction des paramètres laser

[ ]2max )*ln( tntEE el≈=>

(b)

0

15

0 1 2 3

Elaser ~ 26 J, τ and I variable

τlaser (ps)

Max

imum

pro

ton

ener

gy (M

eV)

109

1010

1011

0 2 4 6 8 10 12 14 16Energy (MeV)

20 µm30 µm 60 µm 84 µm

150 µm 220 µm

Lorsque la cible est épaisse ⇒la densité électronique des électrons chauds diminue =>le champ électrostatique est plus faible⇒Les protons ont moins d’énergie

Spectre d’énergie en fonction de l’épaisseur de la cible

Applications“Physique”

La radiographie par protons a été réalisée sur le laser 100 TW du

resolution ≈ 25µm

image 8 Mevproton

Protons accélérés par Laser

Laser impulsioncourte

Film

objet

Fil de Cuivre 250µm

Hohlraum300 µm épaisseur

Feuille de Ti 100µm

Epoxy-ring 1.5m m

Dem i-sphere de verre900 µm dia., 20 µm wall

Objets utilisés

•La faible émittance du faisceau de protons permet d’obtenirdes radiographie avec une excellente résolution spatiales

Radiographie dynamique

cible de proton Hohlraum &imploding

fuel capsule

FilmFaible energie des

protons =

temps long

Grande Energiedes protons

=temps court

Evolution Temporel des phenomenesEn un tir

protons de forte energie permet la radiographiede champs forts

I > 1019 W.cm-2

350 fs

zone de champsPlasma laser 3OOps I ~1014 W/cm2

Evolution temporelle de phénoméneen un seul tir (Time Of Fly)Avec:

•une résolution temporelle ps•une résolution spatiale µm

Imagerie avec les protons: résolution temporelle avec stack film RC

• preplasma visible,impact du front demontée du pulse

-240 ps

• impact laser à ladensité critique

-90 ps

• instabilité faisceau-faisceau à l‘arrière

+10 ps

• plasmacomplètementdéveloppé

+340 ps

Déflectométrie de protons: diagnostic des champs EM du plasma

Protontarget

M esh

Radiochrom ic film

Proton beam

300 µm

600 ps,5 1015 W/cm2

~0.3 ps, 20 J Laser

50 µmCu wire

Proton image taken at peak of heating pulse

10 MeV

Déflectométrie de protons: diagnostic des champs EM du plasma

M. Borghesi et al., RSI 74, 1688 (2003)

Chauffage Isochore de cible

Utilisation des protons pourchauffer des échantillonsépais

Cible chauffée parLes Protons ou les ions

Laserintense

Au10 µm

10 µm

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2010-3

10-2

10-1

Dep

osite

d en

ergy

(MeV

)

depth in the target (µm)

Ei=1 MeV

Ei=2 MeVEi=3 MeV

Le dépôt d’énergie est homogène

Le chauffage en volume des échantillons de 20 µm à 25 eVen ~ 2 - 3 ps permet d’étudier les plasmas chauds et denses

Feasibility of post-accelerating the laser proton source

Direct laser-proton beam use is unrealistic butlaser-source could be used as high-energy injector

Logan, Caparasso, Roth, Cowan, Ruhl et al. (LBNL-LLNL-GSI-GA)

compact and cheaper but• does not eliminate the needfor gantry• source is only 20 % of thetotal price

Conclusions• Les lasers de haute intensité produisent un faisceau de

protons ou d ’ions intense, de forte énergie et de trèsbonne qualité.

• Ce faisceau permet de mesurer les champs EM en fonctiondu temps et de l’espace

• Ce faisceau ouvre de nouvelles perspectives (court terme)– Pour les diagnostics plasmas– Pour la Radiographie par protons (expérience pompe sonde )– Pour produire des plasmas tiédes et denses– Comme Injecteur

• applications Medicale ( long terme)– radioisotopes– hadrontheraphy

M. Allen, E. Bambrink, I. Barton, A. Blazevic, M. Allen, E. Bambrink, I. Barton, A. Blazevic, M. M. BorghesiBorghesi, , J. J. Cobble,Cobble,T. E. Cowan, M. Cuneo, J. Fernandez, T. E. Cowan, M. Cuneo, J. Fernandez, S. Gaillard, S. Gaillard, J. -C. Gauthier,J. -C. Gauthier,M. Geissel, M. Hegelich, M. Geissel, M. Hegelich, J.FuchsJ.Fuchs, S. Karsch, A. Kemp, S. Letzring,, S. Karsch, A. Kemp, S. Letzring,M. M. ManclossiManclossi, J.R. , J.R. MarquMarquèèss, S. , S. MeyroneincMeyroneinc, , A. A. Newkirk, H. PNewkirk, H. Péépin,pin,G. G. PreztlerPreztler, , N. N. Renard-Le Galloudec, Renard-Le Galloudec, L. L. RomagnaniRomagnani, , M. Roth, H.M. Roth, H.

Ruhl, J. Schreiber, Y. Sentoku, R. Stephens, Ruhl, J. Schreiber, Y. Sentoku, R. Stephens, T. T. ToncianToncian, D. , D. WengerWenger,,O. O. WilliWilli

Collaborations

CPO