31 Mars – Soutenance de thèse - Julien Bonvalet

10 h Amphi F - bâtiment A29 (Université de Bordeaux - campus de Talence)

Optimisation de l’accélération d’ions par choc électrostatique dans un jet de gaz irradié par un laser intense, et applications à la production de neutrons et de radioisotopes.

La production de radioisotopes, notamment d’intérêt médical, est aujourd’hui principalement assurée par des accélérateurs conventionnels circulaires: les cyclotrons. Ces isotopes radioactifs, une fois produits, sont injectés dans le corps du patient à des fins diagnostique ou curative. Pour des radioisotopes émetteurs Beta+, les positrons émis s’annihilent en deux gammas de façon instantannée par réaction avec les électrons de la matière. Ces deux gammas émis à 180° sont détectés en coincidence et permettent de remonter au point d’émission du positron et ainsi de cartographier l’organe du patient. Pour des radioisotopes émetteurs 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 vie afin de ne pas engendrer de dommages collatéraux chez le patient. Cette courte durée de vie impose de les produire directement dans les servives de médecine nucléaire pour les plus courants (Fluor-18 en diagnostic) grâce à des cyclotrons conséquents en termes d’encombrement et d’investissement. D’autres radioisotopes utilisés nécessitent des moyens de production en-
core plus importants (cyclotron de type ARRONAX, réacteurs nucléaires pour le Technicium 99) 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 réacteurs nucléaires, parallèlement au développement continu des systèmes laser de haute puissance et de haute intensité, ont amené à envisager la production de radioisotopes par laser. En
effet, l’accélération d’ions par laser permettrait d’abaisser les coûts de production mais aussi d’obtenir un système beaucoup plus flexible qu’un accélérateur conventionnel : en choisissant les 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’ions par laser ultra haute intensité, notamment par choc électrostatique dans les jets de gaz et d’explorer la production de radioisotopes à l’aide de ce faisceau d’ions dit primaire. L’obtention d’un faisceau d’ions accélérés avec un nombre important d’ions dans une certaine gamme d’énergie est une étape cruciale dans le but de produire d’un radioisotope afin de faire correspondre le spectre énergétique de ce faisceau d’ions avec les maxima des sections efficaces de production du radioisotope souhaité.

La première partie de cette thèse s’inscrit donc dans la production de ce type de faisceau d’ions et son optimisation en termes de nombre et d’énergie (avec un maximum d’ions accélérés dans des structures de type quasi mono-énergétiques). L’utilisation de cibles gazeuses est privilégiée dans ce travail puisque ces dernières permettent de profiter des lasers à hauts taux de répétition qui, eux seuls, permettront 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’accélération d’ions lors de l’interaction du laser avec des cibles solides ou gazeuses (via un code Particle-In-Cell) et la génération des radioisotopes lors de la propagation de ces ions dans une cible secondaire (via un code Monte Carlo). La production in situ de radioisotopes par éclairement direct d’une cible est aussi étudiée à l’aide de ces deux types de codes. Ces développements numériques ont permis de dimensionner et d’analyser des expériences sur des installations laser actuelles mais aussi de servir de base pour de futures expériences.

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