Radiothérapie VHEE avec des faisceaux d'électrons issus d'un accélérateur laser-plasma // VHEE Radiotherapy with Electron Beams from a Laser-Plasma Accelerator

Les programmes de recherche menés au sein du Laboratoire Interactions et Dynamique des Lasers (Lidyl) du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) visent à comprendre les processus fondamentaux impliqués dans les interactions lumière-matière et leurs applications. Au sein du CEA-LIDYL, le groupe Physique à Haute Intensité (PHI) étudie les interactions laser-matière à des intensités extrêmes, pour lesquelles la matière se transforme en plasma ultra-relativiste. À l'aide de la théorie, de simulations et d'expériences, les chercheurs développent et testent de nouveaux concepts pour contrôler l'interaction laser-plasma dans le but de produire de nouvelles sources d'électrons relativistes et de lumière attoseconde X-UV, pouvant avoir des applications en recherche fondamentale, médecine ou pour l'industrie.

En collaboration avec le Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), le groupe contribue fortement au développement du code WarpX utilisé pour la modélisation haute fidélité des interactions laser-matière. Il est également à l'origine de l'étude et du contrôle de composants optiques remarquables appelés "miroirs - plasma", qui peuvent être obtenus en focalisant un laser de forte puissance avec un contraste élevé sur une cible initialement solide. Au cours des cinq dernières années, le groupe PHI a développé des concepts fondamentaux exploitant les miroirs plasma pour manipuler la lumière extrême afin de repousser les frontières de la science à haut champ. L'un de ces concepts utilise les miroirs plasma comme injecteurs de haute charge pour augmenter la charge produite dans les accélérateurs laser-plasma (LPA) afin de permettre leur utilisation pour des études médicales, telles que la radiothérapie par électrons de très haute énergie (VHEE). Ce concept est mis en œuvre au CEA sur l'installation laser UHI100 100 TW en 2025 pour délivrer des faisceaux d'électrons de 100 MeV - 200 MeV avec 100 pC de charge/impulsion pour l'étude du dépôt à haut débit de dose d'électrons VHEE sur des échantillons biologiques.

Dans ce contexte, le doctorant utilisera notre outil de simulation WarpX pour optimiser les propriétés du faisceau d'électrons produit par les LPA pour les études VHEE (qualité du faisceau d'électrons et énergie finale). Il étudiera ensuite la manière dont le faisceau d'électrons des LPA dépose son énergie dans des échantillons d'eau (en tant que milieu biologique) à l'aide de Geant4. Cela permettra d'évaluer le dépôt de dose à un débit de dose très élevé et de développer de nouvelles techniques de dosimétrie pour les faisceaux d'électrons LPA VHEE. Enfin, la production et le devenir des espèces réactives de l'oxygène (ROS) dans l'eau seront étudiés à l'aide de la boîte à outils Geant4-DNA. Ce module dispose principalement de données tabulées à des énergies d'électrons inférieures à 10 MeV et nécessitera donc des mesures de la section transversale des processus d'ionisation de l'eau à partir d'expériences à 100 MeV. Ces mesures seront effectuées sur le laser UHI100 100 TW par le groupe DICO du CEA-LIDYL, en collaboration avec le groupe PHI.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The research programs conducted at the Lasers Interations and Dynamics Laboratory of the French Atomic Energy Commission (CEA) aim to understand the fundamental processes involved in light-matter interactions and their applications. As part of the CEA-LIDYL, the Physics at High Intensity (PHI) group conducts studies of laser-matter interactions at extreme intensities, for which matter turns into an ultra-relativistic plasma. Using theory, simulations and experiments, researchers develop and test new concepts to control the laser-plasma interaction with the aim of producing novel relativistic electron and X-UV attosecond light sources, with potential applications to fundamental research, medicine and industry.

In collaboration with the Lawrence Berkeley National Laboratory, the group strongly contributes to the development of the code WarpX used for the high-fidelity modelling of laser-maIer interactuons. It also pioneered the study and control of remarkable optical components called ‘plasma mirrors’, which can be obtained by focusing a high-power laser with high contrast on an initially solid target. In the past five years, the PHI group has developed core concepts exploiting plasma mirrors to manipulate extreme light for pushing the frontiers of high-field Science. One of these concepts uses plasma mirrors as high-charge injectors to level up the charge produced in laser-plasma accelerators (LPAs) to enable their use for medical studies such very high energy electrons (VHEE) radiotherapy. This concept is being implemented at CEA on the UHI100 100 TW laser facility in 2025 to deliver 100 MeV - 200 MeV electron beams with 100 pC charge/bunch for the study of high-dose rate deposition of VHEE electrons on biological samples.

In this context, the PhD candidate will use our simulation tool WarpX to optimize the properties of the electron beam produced by LPAs for VHEE studies (electron beam quality and final energy). He/She will then study how the LPA electron beam deposits its energy in water samples (as biological medium) using Geant4. This will help assessing dose deposition at ultra-high dose rate and develop novel dosimetry techniques for VHEE LPA electron beams. Finally, the Reactive Oxygen Species (ROS) production and fate in water will be studied using the Geant4-DNA toolkit. This module has mainly data tabulated at electron energies below 10 MeV and will therefore require measures cross-section of water-ionization processes from experiments at 100 MeV. This will be performed on the UHI100 100 TW laser by the DICO group of the CEA-LIDYL, in collaboration with the PHI group.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers
Laboratoire : Physique à Haute Intensité
Ecole doctorale : Ondes et Matière (EDOM)
Directeur de thèse : VINCENTI Henri
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF
URL : https://iramis.cea.fr/en/pisp/henri-vincenti/
URL : https://iramis.cea.fr/lidyl/phi/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers