Acceleration of particles by intense laser-plasma interactions represents a rapidly evolving field of interest, as highlighted by the recent demonstration of laser-driven relativistic beams of monoenergetic electrons. Ultrahigh-intensity lasers can produce accelerating fields of 10 TV m(-1) (1 TV = 10(12) V), surpassing those in conventional accelerators by six orders of magnitude. Laser-driven ions with energies of several MeV per nucleon have also been produced. Such ion beams exhibit unprecedented characteristics--short pulse lengths, high currents and low transverse emittance--but their exponential energy spectra have almost 100% energy spread. This large energy spread, which is a consequence of the experimental conditions used to date, remains the biggest impediment to the wider use of this technology. Here we report the production of quasi-monoenergetic laser-driven C5+ ions with a vastly reduced energy spread of 17%. The ions have a mean energy of 3 MeV per nucleon (full-width at half-maximum approximately 0.5 MeV per nucleon) and a longitudinal emittance of less than 2 x 10(-6) eV s for pulse durations shorter than 1 ps. Such laser-driven, high-current, quasi-monoenergetic ion sources may enable significant advances in the development of compact MeV ion accelerators, new diagnostics, medical physics, inertial confinement fusion and fast ignition.

The laminarity of high-current multi-MeV proton beams produced by irradiating thin metallic foils with ultraintense lasers has been measured. For proton energies >10 MeV, the transverse and longitudinal emittance are, respectively, <0.004 mm mrad and <10(-4) eV s, i.e., at least 100-fold and may be as much as 10(4)-fold better than conventional accelerator beams. The fast acceleration being electrostatic from an initially cold surface, only collisions with the accelerating fast electrons appear to limit the beam laminarity. The ion beam source size is measured to be <15 microm (FWHM) for proton energies >10 MeV.

A new laser-driven ion acceleration mechanism using ultrathin targets has been identified from particle-in-cell simulations. After a brief period of target normal sheath acceleration (TNSA) [S. P. Hatchett et al., Phys. Plasmas 7, 2076 (2000)], two distinct stages follow: first, a period of enhanced TNSA during which the cold electron background converts entirely to hot electrons, and second, the “laser breakout afterburner” (BOA) when the laser penetrates to the rear of the target where a localized longitudinal electric field is generated with the location of the peak field co-moving with the ions. During this process, a relativistic electron beam is produced by the ponderomotive drive of the laser. This beam is unstable to a relativistic Buneman instability, which rapidly converts the electron energy into ion energy. This mechanism accelerates ions to much higher energies using laser intensities comparable to earlier TNSA experiments. At a laser intensity of 1021W∕cm2, the carbon ions accelerate as a quasimonoenergetic bunch to 100s of MeV in the early stages of the BOA with conversion efficiency of order a few percent. Both are an order of magnitude higher than those realized from TNSA in recent experiments [Hegelich et al., Nature 441, 439 (2006)]. The laser-plasma interaction then evolves to produce a quasithermal energy distribution with maximum energy of ∼2GeV.

Neutrons are unique particles to probe samples in many fields of research ranging from biology to material sciences to engineering and security applications. Access to bright, pulsed sources is currently limited to large accelerator facilities and there has been a growing need for compact sources over the recent years. Short pulse laser driven neutron sources could be a compact and relatively cheap way to produce neutrons with energies in excess of 10 MeV. For more than a decade experiments have tried to obtain neutron numbers sufficient for applications. Our recent experiments demonstrated an ion acceleration mechanism based on the concept of relativistic transparency. Using this new mechanism, we produced an intense beam of high energy (up to 170 MeV) deuterons directed into a Be converter to produce a forward peaked neutron flux with a record yield, on the order of 10(10) n/sr. We present results comparing the two acceleration mechanisms and the first short pulse laser generated neutron radiograph.

In this work, we have performed a suite of kinetic simulations of relativistic laser–plasma interaction under settings relevant to recent and planned experiments on a variety of laser systems. The goal of the study is to illuminate the physics of laser–target coupling and to provide guidance for how to optimize these sources for applications. It is shown that the production of relativistic electrons is maximized when conditions of relativistic induced transparency (RIT) in dense plasmas can be achieved over a large interaction volume at the time of arrival of most intense part of the laser pulse. RIT is shown to enhance both the numbers of relativistic electrons and the energies of the electrons, leading to an increased x-ray dose. A variety of approaches to enhancing laser–target coupling are considered. These include optimizing the effects of low-density pre-plasma (arising either from finite laser pedestal or from the use of foam coatings) and of modifying the laser focusing geometry to reduce effects of filamentation and self-focusing. Evidence of a novel approach to achieving stable laser propagation over distances of tens of micrometers in a plasma gradient is also presented. These conditions coincide with plasma and laser conditions explored in recent experiments on the Omega EP laser system and compare favorably with an analytic criterion for stable laser propagation in relativistically underdense plasma obtained from a nonlinear Wentzel–Kramers–Brillouin analysis.

An analytic Wentzel–Kramers–Brillouin model is presented of Gaussian laser pulse propagation through plasma with a quadratic transverse density profile and an arbitrarily varying, longitudinal density gradient under conditions of nonlinear self-focusing. From these solutions, it is shown that in the absence of nonlinear self-focusing and transverse nonuniformity, for exponential pre-plasma density profiles, the use of a low density coating of the laser target with electron density n0∼11 ncr (e.g., a CH foam of density 35 mg/cm3 for 1-micron laser light) maximizes laser intensity at best focus. Also, under laser and plasma conditions relevant to recent experiments on high-power laser systems, conditions are obtained for a Gaussian laser pulse to propagate stably through the pre-plasma medium. Such conditions would be expected to enhance the production of relativistic electrons from laser-target coupling, providing a possible explanation for the observed increase in MeV photon dose and enabling applications such as laser-based MeV X-ray radiography.

Abstract Detecting shielded special nuclear material, such as nuclear explosives, is a difficult challenge pursued by non-proliferation, anti-terrorism, and nuclear security programs worldwide. Interrogation with intense fast-neutron pulses is a promising method to characterize concealed nuclear material rapidly but is limited by suitable source availability and proven instrumentation. In this study we have pioneered a demonstration of such an interrogation method using a high-intensity, short-pulse, laser-driven neutron source that offers potential benefits compared to conventional neutron sources. The measurement results reported here represent the first experimental demonstration of this interrogation approach on enriched uranium items and demonstrate the feasibility of a precise measurement using realistic nuclear materials, representative of field scenarios, even with just a single laser-driven neutron pulse. Bright pulsed sources can overcome the nuisance background of items with strong internal neutron sources, improving analytical power, while single-shot assay is attractive in high-throughput situations where time is at a premium. The science and technology of this type of neutron production is developing rapidly, and we anticipate that practical mobile interrogation systems will become available based on the detection concepts demonstrated here to meet the growing measurement needs.

The purpose of this work is to present an analytical method that allows to estimate in an approximate and fast way the presence of the non-resonant and ultra-fast multipactor effect in RF accelerating structures in the presence of high gradient electromagnetic fields. This single-surface multipactor regime, which has been little studied in the scientific literature, is characterised by appearing only under conditions of very strong RF electric fields (of the order of tens or hundreds of MV/m), where it is predominant over other types of single- or dual-surface resonance described in classical multipactor theory. This type of multipactor causes a rapid growth of the electron population and poses a serious drawback in the operation of RF accelerator components operating under high gradient conditions. Specifically, in dielectric-assist accelerating structures (DAA) it has been experimentally found that the presence of multipactor limits the maximum operating gradient of these components due to a significant increase in the reflected power due to the discharge, being this phenomenon the main problem to overcome. In a previous work, we found and described in detail by means of numerical simulations the presence of this non-resonant and ultra-fast multipactor regime in a DAA structure design for hadrontherapy. Here we aim to present a simple and fast method to predict the presence of this non-resonant and ultra-fast multipactor regime in RF accelerator structures with cylindrical revolution symmetry around the acceleration axis. This method is especially useful in the design stages of accelerating structures as it provides much faster results than numerical simulations of the multipactor, with quite good accuracy in a wide range of cases as shown in this paper.