The next-generation magnetic recoil spectrometer (MRSnext) is being designed to replace the current MRS at the National Ignition Facility and OMEGA for measurements of the neutron spectrum from an inertial confinement fusion implosion. The MRSnext will provide a far-superior performance and faster data turnaround than the current MRS systems, i.e., a 2× and 6× improvement in energy resolution at the NIF and OMEGA, respectively, and 20× improvement in data turnaround time. The substantially improved performance of the MRSnext is enabled by using electromagnets that provide a short focal plane (12–16 cm) and unprecedented flexibility for a wide range of applications. In addition to being able to measure neutron yield, apparent ion temperature, areal density, and plasma-flow velocity over a wide range of yields, the NIF MRSnext will be able to directly, uniquely assess the alpha heating of the fuel ions through measurements of the alpha knock-on tail in the neutron spectrum. The goal is to implement a radiation-hard electronic detection system capable of providing rapid data acquisition and analysis. The development of the MRSnext will also set the foundation for the more advanced, time-resolving MRSt and serve as a testbed for its implementation on the NIF.

Proton radiography is an essential diagnostic for studying magnetic fields in high energy density physics experiments. Protons are born in a fusion implosion, traverse the plasma, and are detected on CR-39 solid state nuclear track detectors. Here, it is shown that there is an intrinsic non-uniformity in ∼15 MeV D3He proton radiography data. The increasing angle between the proton trajectory and the center of the detector results in the proton traveling through more detector stack material. As the protons travel through more material and lose energy, the proton energy spectrum gets wider. Protons at the lower end of the spectrum can therefore be lost. The nominal filtering results in protons being ranged out at large angles, causing the intrinsic non-uniformity. This angular effect is confirmed with both OMEGA experiments and Geant4 simulations. It is found that reducing the filtering between the pieces of CR-39 in the detector stack mitigates this effect. Results from accelerator experiments show that this reduced filtering does not impact the detection efficiency of the CR-39. Accounting for this intrinsic fluence non-uniformity is essential for magnetic field reconstruction techniques using proton radiographs.

Image plates (IPs), or phosphor storage screens, are a technology employed frequently in inertial confinement fusion (ICF) and high energy density plasma (HEDP) diagnostics because of their sensitivity to many types of radiation, including, x rays, protons, alphas, beta particles, and neutrons. Prior studies characterizing IPs are predicated on the signal level remaining below the scanner saturation threshold. Since the scanning process removes some signal from the IP via photostimulated luminescence, repeatedly scanning an IP can bring the signal level below the scanner saturation threshold. This process, in turn, raises concerns about the signal response of IPs after an arbitrary number of scans and whether such a process yields, for example, a constant ratio of signal between the nth and n + 1st scan. Here, the sensitivity of IPs is investigated when scanned multiple times. It is demonstrated that the ratio of signal decay is not a constant with the number of scans and that the signal decay depends on the x-ray energy. As such, repeatedly scanning an IP with a mixture of signal types (e.g., x ray, neutron, and protons) enables ICF and HEDP diagnostics employing IPs to better isolate a particular signal type.

Image plates (IPs) are a quickly recoverable and reusable radiation detector often used to measure proton and x-ray fluence in laser-driven experiments. Recently, IPs have been used in a proton radiography detector stack on the OMEGA laser, a diagnostic historically implemented with CR-39, or radiochromic film. The IPs used in this and other diagnostics detect charged particles, neutrons, and x-rays indiscriminately. IPs detect radiation using a photo-stimulated luminescence (PSL) material, often phosphor, in which electrons are excited to metastable states by ionizing radiation. Protons at MeV energies deposit energy deeper into the IP compared with x rays below ∼20 keV due to the Bragg peak present for protons. This property is exploited to discriminate between radiation types. Doses of mono-energetic protons between 1.7 and 14 MeV are applied to IPs using the MIT linear electrostatic ion accelerator. This paper presents the results from consecutive scans of IPs irradiated with different proton energies. The PSL ratios between subsequent scans are shown to depend on proton energy, with higher energy protons having lower PSL ratios for each scan. This finding is separate from the known energy dependence in the absolute sensitivity of IPs. The results can be compared to complimentary work on x rays, showing a difference between protons and x rays, forging a path to discriminate between proton and x-ray fluence in mixed radiation environments.

The Particle Time of Flight (PTOF) diagnostic is a chemical vapor deposition diamond-based detector and is the only diagnostic for measuring nuclear bang times of low yield (<1013) shots on the National Ignition Facility. Recently, a comprehensive study of detector impulse responses revealed certain detectors with very fast and consistent impulse responses with a rise time of <50 ps, enabling low yield burn history measurements. At the current standoff of 50 cm, this measurement is possible with fast 14 MeV neutrons from deuterium–tritium (DT) fusion plasmas. PTOF-inferred DT burn width numbers compare well with widths inferred from the gamma reaction history diagnostic on mid-yield (1013–1015) shots, where both systems are capable of making this measurement. These new capabilities could be extended to 2.5 MeV deuterium–deuterium neutrons from D plasmas and to even lower yield by reducing the detector standoff distance to 10 cm; a design for this is also presented.