Betratron oscillations of electrons driven through a plasma by a high-intensity laser generate coherent X-rays. A new study demonstrates the intensity of these X-rays can be as bright as that generated by conventional third-generation synchrotrons, in a device a fraction of the size and cost. Each successive generation of X-ray machines has opened up new frontiers in science, such as the first radiographs and the determination of the structure of DNA. State-of-the-art X-ray sources can now produce coherent high-brightness X-rays of greater than kiloelectronvolt energy and promise a new revolution in imaging complex systems on nanometre and femtosecond scales. Despite the demand, only a few dedicated synchrotron facilities exist worldwide, in part because of the size and cost of conventional (accelerator) technology1. Here we demonstrate the use of a new generation of laser-driven plasma accelerators2, which accelerate high-charge electron beams to high energy in short distances3,4,5, to produce directional, spatially coherent, intrinsically ultrafast beams of hard X-rays. This reduces the size of the synchrotron source from the tens of metres to the centimetre scale, simultaneously accelerating and wiggling the electron beam. The resulting X-ray source is 1,000 times brighter than previously reported plasma wigglers6,7 and thus has the potential to facilitate a myriad of uses across the whole spectrum of light-source applications.

The acceleration of electrons to approximately 0.8 GeV has been observed in a self-injecting laser wakefield accelerator driven at a plasma density of 5.5x10(18) cm(-3) by a 10 J, 55 fs, 800 nm laser pulse in the blowout regime. The laser pulse is found to be self-guided for 1 cm (>10zR), by measurement of a single filament containing >30% of the initial laser energy at this distance. Three-dimensional particle in cell simulations show that the intensity within the guided filament is amplified beyond its initial focused value to a normalized vector potential of a0>6, thus driving a highly nonlinear plasma wave.

A series of cryogenic, layered deuterium-tritium (DT) implosions have produced, for the first time, fusion energy output twice the peak kinetic energy of the imploding shell. These experiments at the National Ignition Facility utilized high density carbon ablators with a three-shock laser pulse (1.5 MJ in 7.5 ns) to irradiate low gas-filled ($0.3\text{ }\text{ }\mathrm{mg}/\mathrm{cc}$ of helium) bare depleted uranium hohlraums, resulting in a peak hohlraum radiative temperature $\ensuremath{\sim}290\text{ }\text{ }\mathrm{eV}$. The imploding shell, composed of the nonablated high density carbon and the DT cryogenic layer, is, thus, driven to velocity on the order of $380\text{ }\text{ }\mathrm{km}/\mathrm{s}$ resulting in a peak kinetic energy of $\ensuremath{\sim}21\text{ }\text{ }\mathrm{kJ}$, which once stagnated produced a total DT neutron yield of $1.9\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{16}$ (shot N170827) corresponding to an output fusion energy of 54 kJ. Time dependent low mode asymmetries that limited further progress of implosions have now been controlled, leading to an increased compression of the hot spot. It resulted in hot spot areal density ($\ensuremath{\rho}\mathrm{r}\ensuremath{\sim}0.3\text{ }\text{ }{\mathrm{g}/\mathrm{cm}}^{2}$) and stagnation pressure ($\ensuremath{\sim}360\text{ }\text{ }\mathrm{Gbar}$) never before achieved in a laboratory experiment.

The Flexible Imaging Diffraction Diagnostic for Laser Experiments (FIDDLE) is a newly developed diagnostic for imaging time resolved diffraction in experiments at the National Ignition Facility (NIF). It builds on the successes of its predecessor, the Gated Diffraction Development Diagnostic (G3D). The FIDDLE was designed to support eight Daedalus version 2 sensors (six more hCMOS sensors than any other hCMOS-based diagnostic in NIF to date) and an integrated streak camera. We will review the electrical requirements, design, and performance of the electrical subsystems that were created to support this large number of cameras in the FIDDLE. The analysis of the data that the FIDDLE is intended to collect relies heavily on the accurate and well-understood timing of each sensor. We report camera-to-camera timing jitter of less than 100 ps rms and sensor integration times of 2.2 ns FWHM in 2-2 timing mode. Additionally, diffraction experiments on the NIF produce electric fields (EMI) on the order of 1 kV/m, which have been observed to negatively impact the performance of some electrical components of the FIDDLE. We report on the results of testing hCMOS camera electronics in a similar EMI environment generated in an offline lab. We also summarize the use of a novel approach to using a vector network analyzer as an EMI leak detector to understand and reduce the negative impacts of EMI on the FIDDLE.

As part of a program to measure phase transition timescales in materials under dynamic compression, we have designed new x-ray imaging diagnostics to record multiple x-ray diffraction measurements during a single laser-driven experiment. Our design places several ns-gated hybrid CMOS (hCMOS) sensors within a few cm of a laser-driven target. The sensors must be protected from an extremely harsh environment, including debris, electromagnetic pulses, and unconverted laser light. Another key challenge is reducing the x-ray background relative to the faint diffraction signal. Building on the success of our predecessor (Target Diffraction In Situ), we implemented a staged approach to platform development. First, we built a demonstration diagnostic (Gated Diffraction Development Diagnostic) with two hCMOS sensors to confirm we could adequately protect them from the harsh environment and also acquire acceptable diffraction data. This allowed the team to quickly assess the risks and address the most significant challenges. We also collected scientifically useful data during development. Leveraging what we learned, we recently developed a much more ambitious instrument (Flexible Imaging Diffraction Diagnostic for Laser Experiments) that can field up to eight hCMOS sensors in a flexible geometry and participate in back-to-back shots at the National Ignition Facility (NIF). The design also allows for future iterations, such as faster hCMOS sensors and an embedded x-ray streak camera. The enhanced capabilities of the new instrument required a much more complex design, and the unexpected issues encountered on the first few shots at NIF remind us that complexity has consequences. Our progress in addressing these challenges is described herein, as is our current focus on improving data quality by reducing x-ray background and quantifying the uncertainties of our diffraction measurements.