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Ultra-high dose rate proton radiation has the potential to improve cancer treatment by reducing the normal tissue complication probability and, at the same time, reaching the tumor control probability known from conventional photon radiation therapy. Here, the ultra-high dose rate leads to normal tissue sparing via the FLASH effect. Before a clinical implementation is possible, the proton FLASH effect requires translational research via in-vivo irradiation studies with small animals. Laser plasma-based accelerators (LPAs) for protons offer unique opportunities for studying the proton FLASH effect, since the proton dose rate at LAPs is in the order of 10^9 Gy/s, which is unreached at conventional medical proton accelerators. Different to medical proton accelerators, LPAs are operated in a pulsed mode and feature a lower beam stability caused by inherent pulse-to-pulse fluctuations of the acceleration process. To ensure successful in-vivo irradiation studies, advanced beam delivery, monitoring and dosimetry concepts for an online-monitored application of the 3D dose distribution in the target volume (TV) of the in-vivo sample are needed. The detectors and dosimetric concept developed in this thesis enable the world wide frst pilot radiobiological in-vivo study with LPA protons, where mouse ear tumors are irradiated with ultra-high dose rate proton pulses. For performing the radiobiological study, the ALBUS-2S (Advanced Laser-driven Beamlines for User-specifc Studies - 2 Solenoids) beamline is used, which is installed at the compact petawatt (PW) laser system DRACO (Dresden laser acceleration source) at HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf). In this thesis, a scintillator-based time-of-fight (ToF) beam monitoring sytem (BMS) is developed, which records single-pulse proton energy spectra in transmission at the ALBUS-2S beamline. A relative energy uncertainty of 5.5 % (1σ) is reached for the ToF BMS, allowing for a Monte Carlo simulation-based prediction of depth dose profiles at the irradiation site. The ToF BMS is used for characterization of the ALBUS-2S LPA beamline for application-oriented parameters, in order to qualify the LPA proton source for radiobiological in-vivo studies. Furthermore, a dosimetry and beam monitoring concept for in-vivo irradiations of small target volumes with LPA protons is presented in this thesis. With the overall relative dose uncertainty of 7.4 % (2σ) for the specifc mouse ear tumor irradiation scenario, the concept enables verifcation of accurate volumetric dose delivery to the mm-scale TVs. In addition, tomography-based approaches with scintillators are investigated as detectors for online 3D dose measurement at LPAs. The miniature scintillator dosimeter (miniSCIDOM) detector, which is developed in the scope of this thesis, is used for online 3D dose measurements in 1 cm^3 volumes with < 1 mm^3 resolution at the irradiation site of the ALBUS-2S beamline. For online 3D dose measurements directly behind the LPA proton source of the DRACO PW laser system, the optical cone beam tomograph for proton online dosimetry (OCTOPOD) detector is developed. The OCTOPOD detector has a sensitive volume of 5 cm-diameter and water equivalent thickness of 4.3 cm, which is sufficient to stop 70 MeV protons. It is designed to reach a spatial resolution of 1 mm^3. The detectors developed in this thesis are optimized tools for source-to-sample characterization of LPA beamlines and hence are an essential contribution for radiobiological in-vivo studies with LPA protons.

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le cadre de l’allumage rapide pour la fusion par confinement inertiel (FCI), pour la production d’énergie. Dans ce schéma les phases de compression et d’allumage sont découplées. Au cours de la seconde phase, le faisceau d’électrons doit parcourir une distance de 300 µm dans le combustible dense avantde déposer son énergie au coeur de la cible et d’initier les réactions de fusion. Le principal défaut de ce schéma réside dans la divergence du faisceau d’électrons au cours de son transport dans la matière dense. Parmi plusieurs schémas proposés pour réduire cette divergence, nous considérons ici, les schémas sans cône basés sur la collimation des électrons dans un champ magnétique. En particulier, A.P.L. Robinson et ses collaborateurs [Phys. Rev. Lett. 100, 025002, 2008] ont proposé une méthode simple à mettre en place pour contrôler la divergence du faisceau d’électrons :utiliser une séquence de deux impulsions laser. La première impulsion permet de créer un environnement magnétique favorable au confinement du faisceau d’électrons engendré par la seconde interaction. La validation de cette proposition est le sujet de cette thèse. Nous présenterons les résultats expérimentaux et les modélisations théoriques motivées par cette proposition. L’expérience du guidage d’un faisceau d’électrons avec deux impulsions laser a été réalisée sur l’installation laser petawatt Vulcan au Rutherford Appleton Laboratory (RAL) à Didcot en Angleterre. Elle est basée sur la proposition d’un groupe international dans le cadre du projet FCI HiPER. Cette expérience nous a permis d’obtenir les conditions de guidage en fonction du rapport des intensités et du délai entre les deux impulsions. Les résultats de l’expérience ont été modélisés par le code hydrodynamique CHIC couplé au module de transport de particules chargées M1. L’interprétation des résultats expérimentaux nous a permis d’expliquer la base de la physique du guidage du faisceau d'électrons et d'en définir les conditions magnétiques favorables. / The work presented in this thesis is realised in the framework of the fast ignition of inertial confinement fusion for energy production. In this scheme the compression and the ignition phases are decoupled. During the second phase, the electron beam must cross over 300 µm in the dense fuel to deposit its energy in the dense core and ignite the fusion reactions.The major problem of the scheme is related to the divergence of the electron beam while it crosses the dense matter. Among the different propositions to inhibit the electron divergence we consider here the schemes without cone that are based on the effect of magnetic collimation. In particular, A.P.L. Robinson and his co-authors [Phys. Rev. Lett. 100, 025002, 2008] suggested a simple way to control the electron beam divergence by using a sequence of two laser pulses. The first one creates a magnetic background favourable for the confinement of the second electron beam resulting from the second interaction. The validation of this scheme is the major goal of this thesis.We present the results of experimental sudies and numerical modeling of the electron beam guiding with help of two consequent laser pulses. The experiment was performed on the Vulcan facility at the Rutherford Appleton Laboratory at Didcot in UK, based on the proposal submitted by an international group of scientists in the framework of the European project for inertial fusion energy HiPER. This experiment allowed us to define a combination of laser and target parameters where the electron beam guiding takes place. The analysis of experimental data and numerical modelling is realised with the hydrodynamic code CHIC coupled to the charged particules transport module M1. The interpretation of the experimental results allowed us to explain the experimental data and the physical basis of guiding and to define the magnetic conditionflavourable to the electron beam guidance.

Les lasers de puissance permettent depuis une dizaine d'années de produire des faisceaux de particules accélérées dans lesquels quelques 1012 électrons, protons sont accélérés en quelques ps. Nous avons simulé et développé des diagnostiques, utilisant l'activation nucléaire, pour qualifier les distributions angulaire et en énergie des faisceaux de particules générés. Les techniques de caractérisation sont présentées et illustrées à l'aide des résultats obtenus dans différentes expériences réalisées auprès des lasers de puissance. Nous envisageons d'utiliser ces faisceaux pour exciter des états nucléaires dans des environnements plasma. Celui-ci peut en effet influencer des caractéristiques intrinsèques du noyau comme la durée de vie de certains états isomériques. Dans le cadre de la préparation de telles expériences, nous avons mesuré la section efficace de la réaction (g,n) permettant de produire l'état isomérique du 84Rb à 463 keV d'énergie d'excitation, à l'aide de l'accélérateur ELSA du CEA/DIF de Bruyères-le-Châtel.

Les lasers de puissance permettent depuis une dizaine d'années de produire des faisceaux de particules accélérées dans lesquels quelques 1012 électrons, protons sont accélérés en quelques ps. Nous avons simulé et développé des diagnostiques, utilisant l'activation nucléaire, pour qualifier les distributions angulaire et en énergie des faisceaux de particules générés. Les techniques de caractérisation sont présentées et illustrées à l'aide des résultats obtenus dans différentes expériences réalisées auprès des lasers de puissance. Nous envisageons d'utiliser ces faisceaux pour exciter des états nucléaires dans des environnements plasma. Celui-ci peut en effet influencer des caractéristiques intrinsèques du noyau comme la durée de vie de certains états isomériques. Dans le cadre de la préparation de telles expériences, nous avons mesuré la section efficace de la réaction (g,n) permettant de produire l'état isomérique du 84Rb à 463 keV d'énergie d'excitation, à l'aide de l'accélérateur ELSA du CEA/DIF de Bruyères-le-Châtel. / Since the laser tens years, the Ultra High Intensity Laser offer the opportunities to produce accelerated particle beams with contain more than 1012 electrons, protons accelerated into few ps. We have simulated and developed some diagnostics based on the nuclear activation to characterize both the angular and the energy distribution of the particle beams produced with intense lasers. The characterization methods which are presented and illustrated by the means of results obtained in different experiments. We would use the particle beams produced to excite nuclear state in a plasma environment. It can modify intrinsic characteristics of the nuclei such as the half-life of some isomeric state. To prepare this kind of experiments, we have measured the nuclear reaction cross section (g,n) to produce the isomeric state of the 84Rb, which has an excitation energy around 463 keV, with the electron accelerator ELSA of CEA/DIF in Bruyères-le-Châtel.

Cette thèse porte sur la caractérisation des champs magnétiques générés par l'interaction entre un laser d'intensité de 1017 W/cm2 à 1018 W/cm2 et de cibles solides, et leurs effets sur le faisceau d'électrons chauds. En effet, les différents champs magnétiques créés lors de cette interaction ont un rôle fondamental sur les caractéristiques du faisceau d'électrons chauds : sa source et son transport dans la matière. Des diagnostics de polarimétrie et d'interférométrie croisée ont été développés lors de cette thèse pour observer le champ magnétique en surface de la cible irradiée par laser et en particulier leurs évolutions spatiale et temporelle. Deux différents régimes ont été observés selon le contraste en intensité de l'impulsion laser : un possédant une montée rapide de champ magnétique suivie d'une décroissance plus lente créées par le déplacement des électrons chauds dans la matière, et un possédant une croissance plus lente de forme logarithmique créée par la pré-impulsion du laser par effet thermoélectrique. L'interprétation de nos résultats obtenues par ces diagnostics ont permis d'évaluer la résistivité du plasma. Cette résistivité nommée anormale dans la littérature se comprend en estimant l'influence du champ magnétique sur l'anisotropie du transport des électrons et donc sur la résistivité. Le dernier diagnostic permettant l'estimation du champ magnétique détaillé dans cette thèse est la déflectométrie protonique. Elle permet d'observer la déviation d'un faisceau de protons lors de sa propagation sous l'effet de champs électrique et magnétique. D'autres expériences se sont focalisées sur la divergence de ce faisceau d'électrons. Deux diagnostics principaux ont été utilisés : l'imagerie K α et l'imagerie du rayonnement de transition cohérente (C.T.R.) en face arrière de cibles. / This thesis concerns magnetic fields, generated by the interaction between strong laser pulse (intensity up to1018 W/cm2) and solid target, and their effects on the fast electron beam. Indeed, the various magnetic fields created during this interaction can inuence the divergence of the fast electron beam. The magnetic field createdduring this interaction have a fundamental role on the fast electron beam characteristics : its source and its transportin the material. Diagnotics of polarimetry and crossed interferometry were developed during this thesis to observethe on-surface magnetic field of the target, and in particular, their spatial and temporal evolutions. Two types oftemporal evolution of the magnetic field were observed according to the contrast in intensity of the laser pulse : afast rise of magnetic field followed by a slower decrease created by the travel of the fast electrons in the material,and a slower growth of logarithmic form created by the pre-pulse of the laser by thermoelectric effect. The interpretation of our results obtained by these diagnotics allowed us to estimate the resistivity of the plasma.This resistivity named "anomalously high resistivity" in the literature can be explained by taking into account theinuence of the magnetic field on the electrons transport (creation of an anisotropy) and thus on the resitivity.The last diagnotic allowing the estimation of the magnetic field detailed in this thesis is the proton deectometry. itallows to observe the deviation of a proton beam during its propagation under the inuence of electric and magneticfields. Other experiments were focused on the fast electron beam divergence. Two main diagnotics were used : the K α imaging and the coherent transition radiation (C.T.R) imaging at the rear side of solid targets. These diagnoticsallowed to estimate the fast electron beam divergence for two distinct energetic electron populations. The differenceof divergence coming from characteristics of both diagnotics (electrons in charge of the emissions in different energies). The diagnotics of on-surface magnetic fields of target irradiated by intense laser, such as the technics of polarimetry and crossed interferometry developed in this thesis, are dedicated to be combined with diagnotics determining the evolution of the radial size of the fast electron beam generated by the laser-matter interaction. Their simultaneous use, and the correlation between their respective data, should allow to establish experimentally, in the short term, the inuence of the on-surface magnetic fields on the fast electron beam initial characteristics, in particular the angular and energy distributions. Our results of polarimetry on the spatio-temporal evolution of the magnetic fields of surface establish the state of the art for this type of measures. There are possible improvements, in particular as regards their use in conditions of irradiation by lasers of intensities > 1018 W/cm2. These perspectives are also the object of discussions in this manuscript.

Cette thèse a pour but l'étude de l’interaction des impulsions laser brèves et ultra-intenses avec des cibles de petite taille. Nous nous intéressons surtout des phénomènes liés à l’accélération des ions aux granges énergies. L'outil principal de cette étude est notre code Particle-in-Cell (PIC) bidimensionnel, qui est capable d'effectuer le calcul du mouvement des particules et de l'évolution des champs en régime relativiste et sans collisions. Ce mémoire présente la théorie de l’accélération d’ions par laser, les simulations numériques des différents régimes d'accélération, ainsi que les algorithmes mis en œuvre dans notre code. Les nouveaux résultats obtenus dans le cadre de cette thèse concernent trois cas principaux: 1) l’interaction des impulsions laser intenses avec des cibles de la masse limitée; 2) l’accélération des protons par laser dans des gouttelettes fines d’eau vaporisé; 3) le transport latéral des électrons chauds dans une feuille mince et son effet sur l’accélération d’ions. Nos études théoriques et les simulations numériques sont appliquées pour l'interprétation des résultats des deux expériences récentes réalisées par les équipes de recherche en Allemagne et en France. Ces expériences montrent une accélération efficace d’ions dans les conditions prévues dans nos travaux théoriques. Le spectre énergétique et le nombre des protons accélérés dans les feuilles minces de la surface limitée et dans les gouttelettes d’eau se comportent conformément aux nos prévisions. Le modèle théorique développé dans cette thèse considère l'accélération des ions en deux étapes. Le champ du laser n'interagit pas directement avec les ions du plasma du à sa masse très élevée. Par contre, les électrons chauds, générés pendant l’interaction de l'impulsion laser avec une cible, produisent les champs électrostatiques importants qui accélèrent les ions aux hautes énergies. Ces champs peuvent être amplifiés si la masse de la cible est suffisamment petite. Nous considérons que la cible a une masse limitée, si toutes ses dimensions sont comparables avec la taille du faisceau laser dans la zone d'interaction. Ces cibles permettent de réduire la dispersion des électrons chauds, et donc d'améliorer la transformation de l'énergie cinétique d'électrons dans l’´energie des ions. Nos simulations numériques indiquent que la taille de cible transverse optimale est égale au diamètre du faisceau laser. Les expériences récentes avec des feuilles minces de la surface limitée ont confirmé que la transformation de l’énergie laser `a l’énergie des ions est plus efficace, l’énergie des ions est plus élevée, et la divergence du faisceau d’ions diminue avec la diminution de la surface de feuille. La physique de l’interaction d'un faisceau laser avec les gouttelettes d’eau est plus complexe, car il faut prendre en compte plusieurs facteurs tels que l'ionisation inhomogène des atomes de la gouttelette et la recombinaison, sa position dans le focus de laser, les collisions des électrons etc. Nous avons modélisé l’interaction de l’impulsion laser avec une gouttelette de diamètre de 100 nm. Dans un petit agrégat des atomes irradié par laser, les électrons sont expulsés par la force pondéromotrice et, pas conséquent, les ions sont accélérés par la force de Coulomb. Nous avons réussi d'expliquer la formation d'un pic dans la fonction de distribution des protons en énergie par l'effet de la répulsion mutuelle entre deux espèces des ions. Finalement, nous avons étudié le transport latéral des électrons dans le cas de l'incidence rasante du faisceau laser sur la cible mince plaine. Avec une série des simulations nous avons démontré qui le transport des électrons accélérés est réalisé par deux mécanismes complémentaires: par le guidage des électrons chauds sur la surface d’avant de la feuille par les champs quasi statiques électrique et magnétique et par la recirculation des électrons entre les faces l'arrière et l'avant de la cible. / The presented thesis is based on a theoretical study of the interaction of femtosecond laser pulses with small-size targets and related phenomena, mainly acceleration of ions. We have employed our relativistic collisionless two-dimensional particle-in-cell code to describe the interaction and subsequent ion acceleration. The theory of ion acceleration and related physics (for example, electron heating mechanisms) have been reviewed as well as computational algorithms used in our simulation code. In the thesis, our obtained results are organized into three main parts: 1) interaction of an intense laser pulse with mass-limited targets; 2) laser proton acceleration in a water spray target; 3) lateral hot electron transport and ion acceleration in thin foils. Our theoretical and numerical studies are accompanied with recent experimental results obtained by cooperating research groups on enhanced ion acceleration in thin foils of reduced surface and on proton acceleration in a cloud of water microdroplets. Since the field of nowadays operating lasers is not sufficient to accelerate directly ions to high energies due to their at least 1000 times larger mass-to-charge ratio compared with electrons, the ion acceleration is mediated by hot electrons creating strong electrostatic fields (a population of electrons heated by the laser wave) in targets of sizes higher or comparable with the laser wavelength or by Coulomb force between ions after electron expulsion in small clusters. Due to reduced target dimensions, the mass-limited targets, defined as the targets having all dimensions comparable with the laser spot size, limit the spread of hot electrons and, thus, the electron kinetic energy is transferred to ions more efficiently. We found via 2D PIC simulations that the optimum transverse target size is about the laser beam diameter. The enhancement of proton energy, laser-to-proton conversion efficiency, and narrower ion angular spread have been observed in recent experiments with thin foil sections and have confirmed our previous theoretical studies. The physics of the laser pulse interaction with water spray is rather complex and includes many phenomena (microdroplet ablation by laser prepulse, inhomogeneous droplet ionization, laser focal spot position in the spray, recombination and collisional effects in the surrounding target material, etc.). We have carried out numerical simulations of the laser pulse interaction with a water microdroplet of diameter of 100 nm, which gives an insight into the physics of ion acceleration in the spray. One can observe a pronounced peak in the proton energy spectra at the cutoff energy, which was explained by mutual interaction between protons and oxygen ions. Finally, we have studied two mechanisms of lateral electron transport in a thin foil - the first is due to hot electron guiding along the foil front surface by generated quasi-static electric and magnetic fields, and the second is caused by the hot electron recirculation (reversing of the normal component of electron velocity when the electron propagating through the foil starts to escape into vacuum, while the transverse velocity is largely unaltered). We found that only a small number of electrons can be guided along the foil surface for large incidence angles (60° and more) of the laser beam on the foil surface, whereas the majority of electrons is laterally transported towards foil edges due to the recirculation through the thin foil. However, electrons guided along the surface can be accelerated to several times higher energy than the recirculating electrons, which enhances the energy of accelerated ions from foil edges.

Lorsqu'un faisceau laser intense est focalisé sur une cible solide, cette dernière est rapidement ionisée en surface, et forme un plasma dense qui réfléchit le champ incident. Pour des éclairements lasers supérieurs à quelques $10^{15}Wcm^{-2}$, cette réflexion peut s'accompagner de la génération d'harmoniques d'ordres élevés de la fréquence laser, associées dans le domaine temporel à un train d'impulsions attosecondes ($1as=10-^{18}s$). Un tel miroir plasma pouvant supporter des éclairements arbitrairement élevés, ce processus devrait permettre à terme, de produire des impulsions très intenses dans le domaine des rayons X.<br />Au cours de cette thèse, nous avons prouvé que lorsque l'éclairement laser est de l'ordre de $10^{19}Wcm^{-2}$, deux mécanismes peuvent contribuer à la génération d'harmoniques d'ordres élevés sur miroir plasma : l'émission cohérente de sillage et l'émission relativiste. Ces deux mécanismes ont été étudiés à la fois théoriquement et expérimentalement.<br />Nous avons ainsi montré que, grâce à des propriétés très différentes, les harmoniques générées par ces deux processus peuvent être distinguées expérimentalement, sans ambiguïté. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés de phase spectrales et spatiales des harmoniques. Enfin, nous avons illustré comment exploiter la cohérence des mécanismes de génération pour obtenir des informations sur la dynamique électronique du plasma.

Ce travail de Thèse est lié à l'émergence d'un nouvel axe scientifique de recherche : la science X ultrarapide. La recherche effectuée dans les communautés des lasers intenses et des accélérateurs (synchrotrons) met en évidence une nouvelle génération d'outils associés au rayonnement X, les sources X ultrabrèves. Ces nouvelles sources de durée d'impulsion d'une centaine de femtosecondes (1 fs = 10e-15 s) devraient avoir un impact formidable, par exemple, dans l'étude de la dynamique atomique qui est actuellement limitée à plusieurs dizaines de picosecondes (1 ps = 10e-12 s). Cette thèse présente la première expérience d'application de ces sources X ultrabrèves qui utilisent le rayonnement X produit par l'interaction d'un laser intense avec une cible solide (source laser/plasma). La transition de phase solide/liquide ultrarapide d'un semi conducteur a été mise en évidence et caractérisée à l'aide de la technique de diffraction X résolue en temps. L'analyse des résultats expérimentaux a été effectuée à l'aide d'un modèle simple de l'interaction laser semi conducteur reposant sur une extrapolation du modèle de Drude pour un régime à haute densité de porteurs (10e22 /cm3).

Le contexte général de cette étude est la fusion thermonucléaire contrôlée par Confinement Inertiel (FCI) et, plus particulièrement, l'Allumeur Rapide (Fast Ignitor). Dans ce schéma la maîtrise de la génération et du transport des électrons sont vitaux. Cette thèse est une étude expérimentale de la génération et du transport des électrons rapides créés lors de l'interaction d'un laser ultra-intense (>= 10 19 W/cm2) avec une cible solide. Le diagnostic principal utilisé au cours de cette thèse est le rayonnement de transition. Ce rayonnement dépend des propriétés des électrons qui le produisent et donne des informations importantes sur ces électrons: leur énergie, température, géométrie de propagation, etc. L'analyse spectrale, spatiale et temporelle de ce rayonnement a permis de mettre en évidence l'accélération de paquets périodiques d'électrons qui dans ce cas émettent un rayonnement de transition cohérent (CTR - Coherent Transition Radiation). Nous avons développé des modèles théoriques au cours de cette thèse pour expliquer les résultats expérimentaux. On trouve ainsi deux types de paquets d'électrons émis périodiquement à la fréquence du laser (w0) et au double de la fréquence laser (2w0), mettant en jeu différents mécanismes d'accélération: vacuum heating/absorption résonnante et vxB respectivement. Ces paquets sont également observés par des simulations PIC. La température de ces électrons est de ~ 2 MeV dans nos conditions expérimentales. Ils sont émis à partir d'un point source qui est la tache focale du laser et se propagent de façon balistique; ils peuvent, dans certains cas, être réinjectés dans la cible par un phénomène de re-circulation. Cependant ce diagnostic n'est sensible qu'aux électrons cohérents et relativistes, ce qui explique la faible partie d'énergie totale qu'ils emportent (~ quelques mJ). Le CTR de ces électrons supra-thermiques domine largement le rayonnement émis par les électrons moins énergétiques qui emportent la majorité de l'énergie.