L’accélération de particules par interaction laser-plasma est une alternative prometteuse aux accélérateurs conventionnels qui permettrait de rendre plus compactes les machines du futur dédiées à la protonthérapie. Des champs électriques extrêmes de l’ordre du TV/m sont créés en focalisant une impulsion laser ultra-intense sur une cible solide mince de quelques micromètres d’épaisseur, ce qui produit un faisceau de particules de haute énergie. Ce dernier contient des protons ayant une énergie allant jusqu’à la dizaine de mégaélectron-volts, et est caractérisé par une forte divergence angulaire et un spectre en énergie très étendu.Le but de cette thèse est de caractériser parfaitement un accélérateur laser-plasma afin de produire un faisceau de protons stable, satisfaisant les critères d'énergie, de charge et d'homogénéité de surface requis pour son utilisation en radiobiologie. La conception, la réalisation et l’implémentation d’un système magnétique, constitué d'aimants permanents quadripolaires ont été optimisés au préalable avec des simulations numériques. Ce système permet d’obtenir un faisceau de protons ayant un spectre en énergie qui à été mise en forme, et dont le profil est uniforme sur une surface de taille adaptée aux échantillons biologiques.Une dosimétrie absolue et en ligne a également été établie, permettant le contrôle de la dose délivrée en sortie. Pour cela, une chambre d'ionisation à transmission, précédemment calibrée sur un accélérateur à usage médical de type cyclotron, a été mise en place sur le trajet du faisceau de protons. Des simulations Monte Carlo ont ensuite permis de calculer la dose déposée dans les échantillons. Ce système compact autorise maintenant de définir un protocole expérimental rigoureux pour la poursuite d’expériences in vitro de radiobiologie. De premières irradiations de cellules cancéreuses ont été ainsi réalisées in vitro, ouvrant la voie à l’exploration des effets de rayonnements ionisants pulsés à haut débit de dose sur les cellules vivantes. / Particle acceleration by laser-plasma interaction is a promising alternative to conventional accelerators that could make future devices dedicated to protontherapy 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 megaelectron-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.

Nous étudions l’accélération d’un faisceau d’électrons provenant d’un photoinjecteur RF lorsque celui-ci est injecté dans le champ électrique à très fort gradient crée par un laser de forte puissance dans un plasma. Dans cette thèse la configuration d’une telle expérience est étudiée et des simulations du début à la fin sont présentées. Étant donné qu’un faisceau ultra-court d’électrons (quelques femto secondes) est nécessaire pour atteindre une faible dispersion en énergie dans le plasma, le faisceau d’électrons de 10 MeV provenant du photoinjecteur est comprimé en deux étapes. Le premier étage utilise une chicane coudée qui comprime le paquet d’électrons jusqu’à une durée de 69 fs, puis un deuxième étage qui utilise la méthode de regroupement par différence de célérité dans le plasma et qui comprime le paquet jusqu’à 4 fs avant qu’il ne soit accéléré. Le paquet d’électrons est comprimé transversalement avant d’être injecté dans le plasma. Le paquet d’électrons est focalisé transversalement avant d’être injecté dans le plasma. Une longue cellule plasma est utilisée pour créer le plasma en commençant plusieurs longueurs de Rayleigh avant le plan focal du laser, ce qui permet un regroupement par différence de célérité dans la première partie du plasma avec des contraintes relâchées sur la taille transverse du paquet d’électrons. La cellule plasma s’étend plusieurs longueurs de Rayleigh après le plan focal du laser pour supprimer la divergence angulaire du paquet d’électrons. Nous démontrons que le paquet d’électrons à la sortie du plasma a une énergie de plus d’une centaine de MeV avec une émittance plus petite que 1 µm, une charge plus grande que 7pC et une dispersion en énergie plus petite que 1,5% (largeur à mi-hauteur). Pour étendre la longueur d’accélération nous avons étudié le guidage du laser par un capillaire diélectrique creux et les résultats montrent que même dans le cas optimal le profile Gaussien usuel d’un laser n’est pas optimal, principalement à cause de la diffraction du laser sur les bords à l’entrée du capillaire. Un profile Gaussien aplatit est donc suggéré pour supprimer cette diffraction et il est montré que dans ce cas les électrons peuvent être accélérés sur plus de 10 longueurs de Rayleigh. / The acceleration of an externally injected 10MeV electron bunch coming from a RF photoinjector in a high gradient electric field excited in a plasma by a high power laser is studied. In this thesis, the configuration of such an experiment is studied and start to end simulations are presented. As an ultrashort electron bunch (several femtoseconds) is required to maintain a low energy spread beam in the plasma, the 10MeV electron bunch coming from the photoinjector is compressed in two stages. The first stage is realized using a dogleg chicane which compresses the electron bunch to 69fs, the second stage is realized with velocity bunching in the plasma that further compresses the electron bunch to 3fs before efficient acceleration. The electron bunch is transversely focused with a solenoid before being injected into the plasma. A long cell is used to create a plasma starting several Rayleigh lengths before the laser focal plane, allowing the velocity bunching in the first part of the plasma and relaxing constraints on the transverse bunch size. The cell extends several Rayleigh lengths after the laser focal plane to suppress the angular divergence of the electron bunch. We demonstrate that the electron bunch at the exit of the plasma has an energy of more than one hundred MeV, with an emittance smaller than 1 µm, a charge greater than 7pC and a FWHM energy spread smaller than 1.5%. To extend the acceleration section, the guiding of the laser beam with a hollow dielectric capillary is studied, the results show that even in the best matching conditions, the usual laser Gaussian transverse profile is not optimum, mainly because of the diffraction of the laser on the edges at the entrance of the capillary, a flattened Gaussian laser profile is then suggested to suppress this diffraction and the electrons can be accelerated over more than ten Rayleigh lengths.

Les exigences des derniers téléviseurs à grand angle et faible encombrement en terme de précision, ne sont pas totalement remplies par les codes de simulation classiques, qui sont lourds et dont le contenu est mal maîtrisé. Afin de disposer d'outils simples, rapides, et d'améliorer les connaissances physiques, la modélisation du faisceau d'électrons dans les canons a été adoptée, ainsi que la mise en place d'une méthode de mesure d'émittance.<br />Premièrement, nous présentons la création d'un modèle de génération de courant, analytique dans le cas de canons 2D, puis généralisé aux canons 3D de façon semi analytique. L'outil obtenu est simple (peu de paramètres physiques interviennent), rapide, et très précis, aux vues des comparaisons avec la mesure.<br />Puis, dans une deuxième partie plus expérimentale, nous décrivons la mise en place d'une méthode de mesure d'émittance du faisceau dans un plan des canons à électrons, qui est inspirée de la méthode des 3 gradients utilisée dans le domaine des accélérateurs de particules. De nombreux tests ont montré qu'elle était précise, robuste, et discriminante pour les différents canons.<br />Enfin, nous expliquons la modélisation analytique de la création du faisceau, tout d'abord en 2D, puis en généralisant au cas 3D. L'outil créé est précis, simple, et rapide. Nous avons également transporté le faisceau natif obtenu dans le canon jusqu'à l'écran pour le comparer à l'expérience.