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A. Curcio
Author with expertise in Laser-Plasma Interactions and Particle Acceleration
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A Platform for Ultra-Fast Proton Probing of Matter in Extreme Conditions

L. Volpe et al.Aug 14, 2024
Recent developments in ultrashort and intense laser systems have enabled the generation of short and brilliant proton sources, which are valuable for studying plasmas under extreme conditions in high-energy-density physics. However, developing sensors for the energy selection, focusing, transport, and detection of these sources remains challenging. This work presents a novel and simple design for an isochronous magnetic selector capable of angular and energy selection of proton sources, significantly reducing temporal spread compared to the current state of the art. The isochronous selector separates the beam based on ion energy, making it a potential component in new energy spectrum sensors for ions. Analytical estimations and Monte Carlo simulations validate the proposed configuration. Due to its low temporal spread, this selector is also useful for studying extreme states of matter, such as proton stopping power in warm dense matter, where short plasma stagnation time (<100 ps) is a critical factor. The proposed selector can also be employed at higher proton energies, achieving final time spreads of a few picoseconds. This has important implications for sensing technologies in the study of coherent energy deposition in biology and medical physics.
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Design and implementation of the first proton beam transport line in VEGA-3 Petawatt laser system

Teresa Ramírez et al.Dec 2, 2024
Laser–Plasma ion acceleration is acquiring importance on a daily basis due to incipient applicability in certain research fields. However, the energy and divergence control of these brilliant sources can be considered a bottleneck in the development of some applications. In this work, we present the commissioning of a compact proton beamline based on a triplet of quadrupoles dedicated to focus and collect short and energetic pulses, open to the user community. The focused proton beam characterization has been carried out by imaging of scintillation detectors with different particle filters. Experimental results have been compared with numerical simulations performed with Monte Carlo code (MCNP6) and TSTEP that have been used to retrieve the deposited energy, the particle tracking, and the particle distribution in different focal configurations, respectively. Charges of nC ( $$\sim $$ $$10^{10}$$ protons with energies up to 17.25 MeV) have been measured at the focal planes reducing the beam to spot sizes of a few millimetres in RMS (root mean square). The percentage fluctuation of the transported charges values has been studied. Finally, the beam rigidity has been measured by transverse moving of the quadrupoles and subsequent beam centroid shift, allowing to cross correlate the deflected energy with the energy ranges resulting from the filtering process.
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Discrimination of natural and synthetic forms of azurite: An innovative approach based on high-resolution terahertz continuous wave (THz-CW) spectroscopy for Cultural Heritage

Candida Moffa et al.Jun 13, 2024
It is not always possible to discriminate natural and synthetic forms of pigments in a non-invasive way. In this work, we demonstrate that THz spectroscopy allows for this selective discrimination of chemically related compounds. In the presented results, we show the spectral characterization of the following copper carbonates: natural azurite and two of its synthetic forms, bice blue and blue verditer. In particular, the physical properties of the two synthetic forms were characterized for the first time in the terahertz spectral range by exploiting a high-resolution coherent terahertz Continuous Wave (THz-CW) spectrometer. The findings reveal distinct absorption spectra for the three chemically related pigments, showing specific fingerprints that can be used to discriminate the natural compound from the synthetic forms. In fact, we show that by THz-CW it was possible to discriminate those pure components in binary mixtures and quantify the single components contribution. This identification is of great interest to assist in dating artworks or evidence restoration and retouching treatments. The results demonstrate that THz-CW spectroscopy can pave the way to an innovative approach to the Cultural Heritage field.
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Dose increment in ultrashort particle irradiations via coherent stopping power

A. Curcio et al.Sep 25, 2024
We present a relativistic self-consistent theory of the coherent stopping power (CSP) of ultradense charged particle beams propagating in a dense matter. CSP corresponds to a collective inelastic collision which adds to the ordinary stopping power of individual particles. Unlike the latter, which depends only on the particles' energy, CSP depends upon many more parameters such as the total charge of the ensemble and its charge density and shape. This paves the way for a broad variety of novel methods to tailor particle absorption and penetration in a dense matter. CSP losses can be explained both by collective excitations of single or multiple molecules and by the emission of coherent Cherenkov radiation. Here we demonstrate that the former mechanism is more relevant than the latter. We find that the coherent energy absorption of subpicosecond particle bunches in water occurs exciting a broad Debye process in the GHz range and an intermolecular stretching vibration mode in the THz region. We generalize the Bethe-Bloch stopping power formula to coherent effects including self-forces, dielectric screening, and absorption by the dense matter. For the sake of a self-consistent dynamical theory including phase space evolution, we have also generalized the Fermi-Eyges theory of particle diffusion to the presence of forces. Nonlinear dynamics is demonstrated, inducing nonlinear dose release, beam self-focusing, and self-enhancement of coherent losses. Given the advent of ultraintense particle sources and their use for biomedical and other relevant applications, our results may be of paramount importance for contemporary and future developments of science and technology. Published by the American Physical Society 2024