faisceaux énergétiques d’ions produits par laser...
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sommaire
• Introduction
• Caractéristiques du faisceaud’ions du LULI
• Modèle simple
• Applications
• conclusions
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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)
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- + - + - +- +- + - + - + - +
+ -+ -+ -+ -
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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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L ’état de la surface arrière de la cible modifiele faisceau
Surface roughness scale ~5-10 µm
20 µm
20 µm
48µm Au
laser
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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
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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
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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
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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
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“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)
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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Applications“Physique”
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
![Page 31: Faisceaux énergétiques d’ions produits par laser ...reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/Particules-Audebert.pdfen ~ 2 - 3 ps permet d’étudier les plasmas chauds et denses. Feasibility](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081411/60b213cac0cced38467b5364/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: Faisceaux énergétiques d’ions produits par laser ...reseau-femto.cnrs.fr/IMG/pdf/Particules-Audebert.pdfen ~ 2 - 3 ps permet d’étudier les plasmas chauds et denses. Feasibility](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081411/60b213cac0cced38467b5364/html5/thumbnails/32.jpg)
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
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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