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.

The ability to manufacture complex 3D structures with nanometer-scale resolution, such as Fresnel Zone Plates (FZPs), is crucial to achieve state-of-the-art control in X-ray sources for use in a diverse range of cutting-edge applications. This study demonstrates a novel approach combining Electron Beam Lithography (EBL) and cryoetching to produce silicon-based FZP prototypes as a test bench to assess the strong points and limitations of this fabrication method. Through this method, we obtained FZPs with 100 zones, a diameter of 20 µm, and an outermost zone width of 50 nm, resulting in a high aspect ratio that is suitable for use across a range of photon energies. The process incorporates a chromium mask in the EBL stage, enhancing microstructure precision and mitigating pattern collapse challenges. This minimized issues of under- and over-etching, producing well-defined patterns with a nanometer-scale resolution and low roughness. The refined process thus holds promise for achieving improved optical resolution and efficiency in FZPs, making it viable for the fabrication of high-performance, nanometer-scale devices.

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

The duration of incoherent XUV pulses down to the femtoseconds (fs) can be retrieved through a statistical analysis of the modulations on the observed radiation spectrum. Uncorrelated shot-noise fluctuations in the pulse temporal profile result in incoherent radiation showing a multispike spectrum where the spike width is inversely proportional to the pulse length. In this Letter, single-shot temporal characterization of the betatron radiation pulses emitted by fs-long, 100's MeV electron bunches undergoing acceleration, and propagating through a plasma wiggler was performed in the XUV domain. The retrieved pulse lengths agree with independent measurements performed in the THz spectral range and with theoretical predictions. locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon Physics Subject Headings (PhySH)Electromagnetic field calculationsPhotonicsSecondary beamsShot noiseElectron sourcesLow- & intermediate-energy acceleratorsMedical applications of acceleratorsParticle accelerator facilitiesPulsed-power acceleratorsSynchrotron radiation & free-electron lasersEnergy-dispersive x-ray spectroscopyPhoton counting

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.