Published January 13, 2017 | Version v1
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Transport and control of a laser-accelerated proton beam for application to radiobiology

Description

Particle acceleration by laser-plasma interaction is a promising alternative to conventional accelerators that could make future devices dedicated to proton therapy more compact. Extreme electric fields in the order of TV/m are created when an ultra-intense laser pulse is focused on a thin solid target with a thickness of a few micrometers, which generates a beam of highly energetic particles. The latter includes protons with energies up to about ten mega electron-volts and characterised by a wide angular divergence and a broad energy spectrum. The goal of this thesis is to fully characterise a laser-based accelerator in order to produce a stable proton beam meeting the energy, charge and surface homogeneity requirements for radiobiological experiments. The design, realisation and implementation of a magnetic system made of permanent magnet quadrupoles were optimised beforehand through numerical simulations. It enables to obtain a beam with a shaped energy spectrum and with a uniform profile over a surface with a size adapted to the biological samples. Deferred and online dosimetry was setup to monitor the delivered output dose. For that purpose, a transmission ionisation chamber, previously calibrated absolutely on a medical proton accelerator, was used. Monte Carlo simulations enabled to compute the dose deposited into the samples. This compact system allows now to define a rigorous experimental protocol for in vitro radiobiological experiments. First experiments of cancer cell irradiation have been carried out, paving the way for the exploration of the effects of pulsed ionizing radiations at extremely high dose rates on living cells. (author)

Abstract (French)

L'acceleration de particules par interaction laser-plasma est une alternative prometteuse aux accelerateurs conventionnels qui permettrait de rendre plus compactes les machines du futur dediees a la protontherapie. Des champs electriques extremes de l'ordre du TV/m sont crees en focalisant une impulsion laser ultra-intense sur une cible solide mince de quelques micrometres d'epaisseur, ce qui produit un faisceau de particules de haute energie. Ce dernier contient des protons ayant une energie allant jusqu'a la dizaine de megaelectron-volts, et est caracterise par une forte divergence angulaire et un spectre en energie tres etendu. Le but de cette these est de caracteriser parfaitement un accelerateur laser-plasma afin de produire un faisceau de protons stable, satisfaisant les criteres d'energie, de charge et d'homogeneite de surface requis pour son utilisation en radiobiologie. La conception, la realisation et l'implementation d'un systeme magnetique, constitue d'aimants permanents quadripolaires ont ete optimises au prealable avec des simulations numeriques. Ce systeme permet d'obtenir un faisceau de protons ayant un spectre en energie qui a ete mise en forme, et dont le profil est uniforme sur une surface de taille adaptee aux echantillons biologiques. Une dosimetrie absolue et en ligne a egalement ete etablie, permettant le controle de la dose delivree en sortie. Pour cela, une chambre d'ionisation a transmission, precedemment calibree sur un accelerateur a usage medical de type cyclotron, a ete mise en place sur le trajet du faisceau de protons. Des simulations Monte Carlo ont ensuite permis de calculer la dose deposee dans les echantillons. Ce systeme compact autorise maintenant de definir un protocole experimental rigoureux pour la poursuite d'experiences in vitro de radiobiologie. De premieres irradiations de cellules cancereuses ont ete ainsi realisees in vitro, ouvrant la voie a l'exploration des effets de rayonnements ionisants pulses a haut debit de dose sur les cellules vivantes. (auteur)

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Original title (English)
Transport et controle de faisceaux de protons acceleres par laser pour une application a la radiobiologie

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Imprint Pagination
168 p.
Report number
FRNC-TH--11965

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Notes
[220 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses