Laser driven ion acceleration by electrostatic shocks in gas jet targets and radioisotopes production.

Abstract

La production de radioisotopes, notamment d’intérêt médical, est aujourd’huiprincipalement assurée par des accélérateurs conventionnels circulaires: les cyclotrons. Cesisotopes radioactifs, une fois produits, sont injectés dans le corps du patient à des fins diag-nostique ou curative. Pour des radioisotopes émetteurs Beta+, les positrons émis s’annihilenten deux gammas de façon instantannée par réaction avec les électrons de la matière. Cesdeux gammas émis à 180° sont détectés en coincidence et permettent de remonter au pointd’émission du positron et ainsi de cartographier l’organe du patient. Pour des radioisotopesémetteurs Beta-, alpha et gamma, les rayonnements ionisants émis permettent quant à eux de traiter le patient en irradiant les cellules cancéreuses.Les radioisotopes utilisés en médecine nucléaire doivent présenter une courte durée de vieafin de ne pas engendrer de dommages collatéraux chez le patient. Cette courte durée de vieimpose de les produire directement dans les servives de médecine nucléaire pour les plus cou-rants (Fluor-18 en diagnostic) grâce à des cyclotrons conséquents en termes d’encombrementet d’investissement. D’autres radioisotopes utilisés nécessitent des moyens de production en-core plus importants (cyclotron de type ARRONAX, réacteurs nucléaires pour le Technicium99) et doivent être livrés dans les hopitaux de façon régulière. Les délais d’acheminement,les coûts de production et de maintenance des cyclotrons, le vieillissement des réacteursnucléaires, parallèlement au développement continu des systèmes laser de haute puissanceet de haute intensité, ont amené à envisager la production de radioisotopes par laser. Eneffet, l’accélération d’ions par laser permettrait d’abaisser les coûts de production mais aussid’obtenir un système beaucoup plus flexible qu’un accélérateur conventionnel: en choisissantles cibles irradiées selon la gamme d’énergie du faisceau d’ions obtenu par accélération laser,la création de nombreux radioisotopes deviendrait possible avec un unique et même système:l’accélérateur laser.L’objectif de cette thèse est, dans un premier temps, d’optimiser l’accélération d’ionspar laser ultra haute intensité, notamment par choc électrostatique dans les jets de gaz etd’explorer la production de radioisotopes à l’aide de ce faisceau d’ions dit primaire. L’ob-tention d’un faisceau d’ions accélérés avec un nombre important d’ions dans une certainegamme d’énergie est une étape cruciale dans le but de produire d’un radioisotope afin defaire correspondre le spectre énergétique de ce faisceau d’ions avec les maxima des sectionsefficaces de production du radioisotope souhaité. La première partie de cette thèse s’inscritdonc dans la production de ce type de faisceau d’ions et son optimisation en termes denombre et d’énergie (avec un maximum d’ions accélérés dans des structures de type quasimono-énergétiques). L’utilisation de cibles gazeuses est privilégiée dans ce travail puisqueces dernières permettent de profiter des lasers à hauts taux de répétition qui, eux seuls, per-mettront de concurrencer les cyclotrons en terme de courant pour le faisceau d’ions primaire.Cette étude s’appuie sur des simulations numériques permettant de modéliser l’accélé-ration d’ions lors de l’interaction du laser avec des cibles solides ou gazeuses (via un codeParticle-In-Cell) et la génération des radioisotopes lors de la propagation de ces ions dansune cible secondaire (via un code Monte Carlo). La production in situ de radioisotopes paréclairement direct d’une cible est aussi étudiée à l’aide de ces deux types de codes. Cesdéveloppements numériques ont permis de dimensionner et d’analyser des expériences surdes installations laser actuelles mais aussi de servir de base pour de futures expériences.The production of radioisotopes in relevance with the nuclear medecine community is nowadays warranted by cyclotrons. These radioisotopes, once produced, are injectedin the patient body for curative or diagnostics purpose. For β + emitters, the positron, reactingwith matter electrons, annihilates in two gamma photons. These two photons, emittedat 180_ are detected by coincidence and allow to know the exact position of the emissionpoint and to map the patient organ. For β - or α emitters, the ionizing radiation emitted isused to kill the cancer cells. The radioisotopes related to nuclear medecine have to present a short lifetime so as not to not drive collateral damages for the patient. Thus, a production closed to the nuclear medecine department is compulsory. This is the case for the Fluor-18 for example that is produced inside the hospitals by little cyclotrons. Other radioisotopes require more important means of production (cyclortron as ARRONAX in Nantes, nuclear power plants for the Tc-99) and have to be delivered every week to the nuclear medecine department. The delivery times, the hardware installation and maintenance costs added to the aging of nuclear reactors drive scientists to consider other facilities for radioisotopes production. The actual laser systems are known to accelerate ions from laser-plasma interaction. Actually, laser-driven ion acceleration is an attractive way to realize compact and affordable ion sources for many exciting applications, including to produce radioisotopes in relevance with the nuclear medecine community. We propose to use ion beams to produce radioisotopes in a secondary target. At first, we explore and optimize laser-driven ion acceleration, especially by collisionless electrostatic shocks in a gas jet. The solid targets are also considered in this work. This ion beam requires particular characteristics on its energy spectrum and its flux to produce radioisotopes in a secondary target. The ion energy distribution has to match the higher cross section values for the nuclear reaction producing the desired radioisotope. So the first part of this work consists of optimizing the production of an ion beam with a high flux and with a high energy. The use of gas jet targets is the best way to take advantage of high repetition rates laser systems since the final goal is to replace cyclotrons by a more flexible device: laser beam. A maximum of laser energy has to be transfered to the solid target or to the gas jet target in order to make the laser ion acceleration process more efficient. The acceleration efficiency depends on the target density profile (presence of a pre plasma in the solid target case or the gas jet wings) and on the acceleration mechanism. All these questions are studied in the first part of this manuscript. We propose to strongly improve the ion acceleration with maximum ion energy of tens of MeV thanks to the interaction of a relativistic laser pulse with a tailored gas jet target. The production of a beam of energetic alpha particles is studied in this work, from an helium jet target and also from the proton-boron fusion reaction. We present the numerical chain, that we developed at CELIA during this three-year research process, formed by an hydrodynamic code (TROLL [1] or CHIC [2]) that allows to simulate the interaction between the target and the laser pre-pulse, the Particle-In-Cell (PIC) code Smilei [3] for the interaction between the main pulse and the plasma, and the MONTE-CARLO code FLUKA [4] for the propagation of the ion beam in the secondary target and nuclear reactions that allow to produce radioisotopes. The results of radiosiotope production are analysed, in terms of ion acceleration mechanisms and of targets properties