Abstract:A high repetition rate scintillator-based transverse beam profile diagnostic for laser-plasma accelerated proton beams has been designed and commissioned. The proton beam profiler uses differential filtering to provide coarse energy resolution and a flexible design to allow optimisation for expected beam energy range and trade-off between spatial and energy resolution depending on the application. A plastic scintillator detector, imaged with a standard 12-bit scientific camera, allows data to be taken at a hig… Show more
“…Promising detectors for such application need faster evaluation than those used here. A recent trend in our scientific community is the use of electronic or opto-electronic readout detectors [274]; in the imaging scheme we can use timeof-flight methods [275,276], penetration-depth and detector-sensitivity methods as used here, or clever combinations [255,277,278] to retrieve energy distributions behind the object. The recording of initial energy distributions is a problem, which may be solved by the round target design and the resulting correlated spatio-spectral distributions of the source.…”
Section: Discussionmentioning
confidence: 99%
“…Novel particle-in-cell simulations investigate the relevant parameters that need to be optimized, in order to further increase the proton and X-ray energy for applications. The issue of fast and robust detection techniques is crucial not only to imaging schemes, but to laser-plasma accelerators in general, which is reflected in several new developments [274][275][276][277][278]291].…”
Section: Laser-driven Micro-sources For Imagingmentioning
Diese Arbeit behandelt verschiedene Aspekte der Interaktion von relativistisch intensiven Laserpulsen mit Mikroplasmen. Dafür wurde zunächst eine Paul-Falle entwickelt, welche vollständig isolierte und definierte Mikrokugeln als Ziel für Experimente mit fokussierten Peta-Watt Laser-Pulsen bereitstellt. Solche Interaktionen wurden dann in der Theorie, in numerischen Simulationen und in einer Serie von Experimenten untersucht. Die erste wichtige Beobachtung hierbei war die Erzeugung manipulierbarer Protonenstrahlen mit kinetischen Energienüber 10 MeV. Die Modifikation in den spektralen und räumlichen Verteilungen erfolgte durch die Variation des Beschleunigungsmechanismus. Dies beinhaltet das Auftreten von Protonenstrahlen mit begrenzter spektraler Bandbreite, welcheähnliche Lasergetriebene Quellen in kinetischer Energie und/oder Teilchenfluenzübertreffen. Die relative Bandbreite von 20-25% wird durch die (isotrope) Coulomb Explosion oder durch gerichtete Beschleunigungsprozesse erreicht (Abb. 1a, sec. 5.3 und 5.4). Im zweiten Teil der Ar-Abbildung 1 | Zentrale Ergebnisse. a. Ionenquellen mit limitierter spektraler Bandbreite in dieser Arbeit (rot) im Kontext früherer Experimente mit Laser-Ionen-Beschleunigern (Quellen: [1-10]). Markiert ist je das spektrale Maximum, Fehlerbalken markieren die spektrale Breite (volle Breite bei halbem Maximalwert). b. Beispiel eines bimodalen Röntgen-und Protonenbildes (übereinander registriert). Der Skalenbalken entspricht 1 cm. Intensitäten sind in relativen Skalen angegeben und das Protonenbild wird zu 40% transparent dargestellt. beit wurden Mikronadeln mit Peta-Watt Laser-Pulsen beschossen um Röntgen-und Protonenstrahlen mit jeweils nur einigen Mikrometern effektiver Quellgröße zu erzeugen. Im Röntgenspektrum wurde ein Maximum um 6 keV und messbares Signal bisüber 10 keV beobachtet. Das Protonenspektrum zeigte erneut die quasi-monoenergetische Verteilung mit Peak-Energienüber 10 MeV (Abb. 1a, sec. 6.1). Nach der Charakterisierung der Quelle wurde diese für Bildgebung genutzt. Dabei konnte insbesondere die gleichzeitige Aufnahme von Röntgen-und Protonenbildern mit einem einzelnen Laserschuß gezeigt werden (Abb. 1b). Die Besonderheiten der Quelle erlaubten zudem Röntgenaufnahmen mit starkem Phasen-Kontrast Anteil, sowie die Untersuchung von quantitativen Einzelschuß Protonen-Radiographien.
“…Promising detectors for such application need faster evaluation than those used here. A recent trend in our scientific community is the use of electronic or opto-electronic readout detectors [274]; in the imaging scheme we can use timeof-flight methods [275,276], penetration-depth and detector-sensitivity methods as used here, or clever combinations [255,277,278] to retrieve energy distributions behind the object. The recording of initial energy distributions is a problem, which may be solved by the round target design and the resulting correlated spatio-spectral distributions of the source.…”
Section: Discussionmentioning
confidence: 99%
“…Novel particle-in-cell simulations investigate the relevant parameters that need to be optimized, in order to further increase the proton and X-ray energy for applications. The issue of fast and robust detection techniques is crucial not only to imaging schemes, but to laser-plasma accelerators in general, which is reflected in several new developments [274][275][276][277][278]291].…”
Section: Laser-driven Micro-sources For Imagingmentioning
Diese Arbeit behandelt verschiedene Aspekte der Interaktion von relativistisch intensiven Laserpulsen mit Mikroplasmen. Dafür wurde zunächst eine Paul-Falle entwickelt, welche vollständig isolierte und definierte Mikrokugeln als Ziel für Experimente mit fokussierten Peta-Watt Laser-Pulsen bereitstellt. Solche Interaktionen wurden dann in der Theorie, in numerischen Simulationen und in einer Serie von Experimenten untersucht. Die erste wichtige Beobachtung hierbei war die Erzeugung manipulierbarer Protonenstrahlen mit kinetischen Energienüber 10 MeV. Die Modifikation in den spektralen und räumlichen Verteilungen erfolgte durch die Variation des Beschleunigungsmechanismus. Dies beinhaltet das Auftreten von Protonenstrahlen mit begrenzter spektraler Bandbreite, welcheähnliche Lasergetriebene Quellen in kinetischer Energie und/oder Teilchenfluenzübertreffen. Die relative Bandbreite von 20-25% wird durch die (isotrope) Coulomb Explosion oder durch gerichtete Beschleunigungsprozesse erreicht (Abb. 1a, sec. 5.3 und 5.4). Im zweiten Teil der Ar-Abbildung 1 | Zentrale Ergebnisse. a. Ionenquellen mit limitierter spektraler Bandbreite in dieser Arbeit (rot) im Kontext früherer Experimente mit Laser-Ionen-Beschleunigern (Quellen: [1-10]). Markiert ist je das spektrale Maximum, Fehlerbalken markieren die spektrale Breite (volle Breite bei halbem Maximalwert). b. Beispiel eines bimodalen Röntgen-und Protonenbildes (übereinander registriert). Der Skalenbalken entspricht 1 cm. Intensitäten sind in relativen Skalen angegeben und das Protonenbild wird zu 40% transparent dargestellt. beit wurden Mikronadeln mit Peta-Watt Laser-Pulsen beschossen um Röntgen-und Protonenstrahlen mit jeweils nur einigen Mikrometern effektiver Quellgröße zu erzeugen. Im Röntgenspektrum wurde ein Maximum um 6 keV und messbares Signal bisüber 10 keV beobachtet. Das Protonenspektrum zeigte erneut die quasi-monoenergetische Verteilung mit Peak-Energienüber 10 MeV (Abb. 1a, sec. 6.1). Nach der Charakterisierung der Quelle wurde diese für Bildgebung genutzt. Dabei konnte insbesondere die gleichzeitige Aufnahme von Röntgen-und Protonenbildern mit einem einzelnen Laserschuß gezeigt werden (Abb. 1b). Die Besonderheiten der Quelle erlaubten zudem Röntgenaufnahmen mit starkem Phasen-Kontrast Anteil, sowie die Untersuchung von quantitativen Einzelschuß Protonen-Radiographien.
“…spectrometer (TOF) consisting of a vacuum tube and a plastic scintillator which is coupled with a photomultiplier and an oscilloscope. A footprint of the ion beam is measured by an online scintillator-based proton footprint monitor 8) and insertsets for each shot. A Thomson parabola spectrometer consistdetectors such as Imaging Plates measures the ion spectra for each charge state.…”
“…Moreover the high cost of such devices limits the number of possible detectors to be fielded, and their use can be in some cases highly problematic due to the high values of EMP fields typical of high energy and high intensity laser-plasma interactions [12][13][14][15][16][17][18] , that can highly affect the operation of the related electronics. The employment of scintillators together with differential filtering technique has been also proposed 21 to retrieve the proton beam profiling as well as a coarse energy estimation while working at high-repetition rate.…”
Time-Of-Flight (TOF) methods are very effective to detect particles accelerated in laser-plasma interactions, but they show significant limitations when used in experiments with high energy and intensity lasers, where both high-energy ions and remarkable levels of ElectroMagnetic Pulses (EMPs) in the radiofrequency-microwave range are generated. Here we describe a novel advanced diagnostic method for the characterization of protons accelerated by intense matter interactions with high-energy and high-intensity ultra-short laser pulses up to the femtosecond and even future attosecond range. The method employs a stacked diamond detector structure and the TOF technique, featuring high sensitivity, high resolution, high radiation hardness and high signal-to-noise ratio in environments heavily affected by remarkable EMP fields. A detailed study on the use, the optimization and the properties of a single module of the stack is here described for an experiment where a fast diamond detector is employed in an highly EMP-polluted environment. Accurate calibrated spectra of accelerated protons are presented from an experiment with the femtosecond Flame laser (beyond 100 TW power and ~ 1019 W/cm2 intensity) interacting with thin foil targets. The results can be readily applied to the case of complex stack configurations and to more general experimental conditions.
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