The injection of laser-generated protons through conventional drift tube linear accelerators (linacs) has been studied numerically. For this, we used the parameters of the proton source produced by ultraintense lasers, i.e., with an intrinsic high beam quality. The numerical particle tracing code PARMELA [L. M. Young and J. H. Billen, LANL Report No. LA-UR-96-1835, 2004] is then used to inject experimentally measured laser-generated protons with energies of and rms un-normalized emittance of into one drift tube linac tank that accelerated them to more than 14 MeV. The simulations exhibit un-normalized emittance growths of 8 in direction and 22.6 in direction, with final emittances lower than those produced using conventional sources, allowing a potential luminosity gain for the final beam. However, the simulations also exhibit a limitation in the allowed injected proton charge as, over 0.112 mA, space charge effect worsens significantly the beam emittance.
REFERENCES
1.
M.
Borghesi
, J.
Fuchs
, S. V.
Bulanov
, A. J.
Mackinnon
, P. K.
Patel
, and M.
Roth
, Fusion Sci. Technol.
49
, 412
(2006
).2.
M.
Hegelich
, S.
Karsch
, G.
Pretzler
, D.
Habs
, K.
Witte
, W.
Guenther
, M.
Allen
, A.
Blazevic
, J.
Fuchs
, J. C.
Gauthier
, M.
Geissel
, P.
Audebert
, T.
Cowan
, and M.
Roth
, Phys. Rev. Lett.
89
, 085002
(2002
).3.
P.
McKenna
, K. W. D.
Ledingham
, J. M.
Yang
, L.
Robson
, T.
McCanny
, S.
Shimizu
, R. J.
Clarke
, D.
Neely
, K.
Spohr
, R.
Chapman
, R. P.
Singhal
, K.
Krushelnick
, M. S.
Wei
, and P. A.
Norreys
, Phys. Rev. E
70
, 036405
(2004
).4.
E.
Clark
, K.
Krushelnick
, J. R.
Davies
, M.
Zepf
, M.
Tatarakis
, F. N.
Beg
, A.
Machacek
, P. A.
Norreys
, M. I. K.
Santala
, I.
Watts
, and A. E.
Dangor
, Phys. Rev. Lett.
84
, 670
(2000
).5.
R. A.
Snavely
, M. H.
Key
, S. P.
Hatchett
, T. E.
Cowan
, M.
Roth
, T. W.
Phillips
, M. A.
Stoyer
, E. A.
Henry
, T. C.
Sangster
, M. S.
Singh
, S. C.
Wilks
, A.
MacKinnon
, A.
Offenberger
, D. M.
Pennington
, K.
Yasuike
, A. B.
Langdon
, B. F.
Lasinski
, J.
Johnson
, M. D.
Perry
, and E. M.
Campbell
, Phys. Rev. Lett.
85
, 2945
(2000
).6.
M.
Borghesi
, A. J.
Mackinnon
, D. H.
Campbell
, D. G.
Hicks
, S.
Kar
, P. K.
Patel
, D.
Price
, L.
Romagnani
, A.
Schiavi
, and O.
Willi
, Phys. Rev. Lett.
92
, 055003
(2004
).7.
T.
Cowan
, J.
Fuchs
, H.
Ruhl
, A.
Kemp
, P.
Audebert
, M.
Roth
, R.
Stephens
, I.
Barton
, A.
Blazevic
, E.
Brambrink
, J.
Cobble
, J.
Fernández
, J. -C.
Gauthier
, M.
Geissel
, M.
Hegelich
, J.
Kaae
, S.
Karsch
, G. P.
Le Sage
, S.
Letzring
, M.
Manclossi
, S.
Meyroneinc
, A.
Newkirk
, H.
Pépin
, and N.
Renard-LeGalloudec
, Phys. Rev. Lett.
92
, 204801
(2004
).8.
M.
Borghesi
, D. H.
Campbell
, A.
Schiavi
, M. G.
Haines
, and O.
Willi
, Phys. Plasmas
9
, 2214
(2002
).9.
M.
Roth
, A.
Blazevic
, M.
Geissel
, T.
Schlegel
, T. E.
Cowan
, M.
Allen
, J. -C.
Gauthier
, P.
Audebert
, J.
Fuchs
, J.
Meyer-ter-Vehn
, M.
Hegelich
, S.
Karsch
, and A.
Pukhov
, Phys. Rev. ST Accel. Beams
5
, 061301
(2002
).10.
K.
Krushelnick
, E. L.
Clark
, R.
Allott
, F. N.
Beg
, C. N.
Danson
, A.
Machacek
, V.
Malka
, Z.
Najmudin
, D.
Neely
, P. A.
Norreys
, M. R.
Salvati
, M. I. K.
Santala
, M.
Tatarakis
, I.
Watts
, M.
Zepf
, and A. E.
Dangor
, IEEE Trans. Plasma Sci.
28
, 1184
(2000
).11.
M.
Roth
, T. E.
Cowan
, M. H.
Key
, S. P.
Hatchett
, C.
Brown
, W.
Fountain
, J.
Johnson
, D. M.
Pennington
, R. A.
Snavely
, S. C.
Wilks
, K.
Yasuike
, H.
Ruhl
, F.
Pegoraro
, S. V.
Bulanov
, E. M.
Campbell
, M. D.
Perry
, and H.
Powell
, Phys. Rev. Lett.
86
, 436
(2001
).12.
M.
Santala
, M.
Zepf
, F. N.
Beg
, E. L.
Clark
, A. E.
Dangor
, K.
Krushelnick
, M.
Tatarakis
, and I.
Watts
, Appl. Phys. Lett.
78
, 19
(2001
).13.
J.
Fuchs
, P.
Antici
, E.
d’Humières
, E.
Lefebvre
, M.
Borghesi
, E.
Brambrink
, C. A.
Cecchetti
, M.
Kaluza
, V.
Malka
, M.
Manclossi
, S.
Meyroneinc
, P.
Mora
, J.
Schreiber
, T.
Toncian
, H.
Pépin
, and P.
Audebert
, Nat. Phys.
2
, 48
(2006
).14.
E.
Lefebvre
, J. Appl. Phys.
100
, 113308
(2006
).15.
S. V.
Bulanov
and V. S.
Khoroshkov
, Plasma Phys. Rep.
28
, 453
(2002
);S. V.
Bulanov
, T. Zh.
Esirkepov
, V. S.
Khoroshkov
, A. V.
Kuznetsov
, and F.
Pegoraro
, Phys. Lett. A
299
, 240
(2002
);E.
Fourkal
, B.
Shahine
, M.
Ding
, J. S.
Li
, T.
Tajima
, and C. -M.
Ma
, Med. Phys.
29
, 2788
(2002
);
[PubMed]
V.
Malka
, S.
Fritzler
, E.
Lefebvre
, E.
d’Humières
, R.
Ferrand
, G.
Grillon
, C.
Albaret
, S.
Meyroneinc
, J. P.
Chambaret
, A.
Antonetti
, and D.
Hulin
, Med. Phys.
31
, 1587
(2004
).
[PubMed]
16.
P.
McKenna
, K. W. D.
Ledingham
, S.
Shimizu
, J. M.
Yang
, L.
Robson
, T.
McCanny
, J.
Galy
, J.
Magill
, R. J.
Clarke
, D.
Neely
, P. A.
Norreys
, R. P.
Singhal
, K.
Krushelnick
, and M. S.
Wei
, Phys. Rev. Lett.
94
, 084801
(2005
).17.
T.
Cowan
and E.
Colby
, AIP Conf. Proc.
647
, 135
(2002
).18.
L. M.
Young
and J. H.
Billen
, PARMELA, LANL
Report No. LA-UR-96-1835, 2004
.19.
T.
Wangler
, Principles of RF Linear Accelerators
, Wiley Series in Beam Physics
(Wiley
, New York
, 1998
).20.
21.
K.
Matsukado
, T.
Esirkepov
, K.
Kinoshita
, H.
Daido
, T.
Utsumi
, Z.
Li
, A.
Fukumi
, Y.
Hayashi
, S.
Orimo
, M.
Nishiuchi
, S. V.
Bulanov
, T.
Tajima
, A.
Noda
, Y.
Iwashita
, T.
Shirai
, T.
Takeuchi
, S.
Nakamura
, A.
Yamazaki
, M.
Ikegami
, T.
Mihara
, A.
Morita
, M.
Uesaka
, K.
Yoshii
, T.
Watanabe
, T.
Hosokai
, A.
Zhidkov
, A.
Ogata
, Y.
Wada
, and T.
Kubota
, Phys. Rev. Lett.
91
, 215001
(2003
).22.
L.
Willingale
, S. P. D.
Mangles
, P. M.
Nilson
, R. J.
Clarke
, A. E.
Dangor
, M. C.
Kaluza
, S.
Karsch
, K. L.
Lancaster
, W. B.
Mori
, Z.
Najmudin
, J.
Schreiber
, A. G. R.
Thomas
, M. S.
Wei
, and K.
Krushelnick
, Phys. Rev. Lett.
96
, 245002
(2006
).23.
D.
Strickland
and G.
Mourou
, Opt. Commun.
56
, 219
(1985
).24.
S. P.
Hatchett
, C. G.
Brown
, T. E.
Cowan
, E. A.
Henry
, J. S.
Johnson
, M. H.
Key
, J. A.
Koch
, A. B.
Langdon
, B. F.
Lasinski
, R. W.
Lee
, A. J.
Mackinnon
, D. M.
Pennington
, M. D.
Perry
, T. W.
Phillips
, M.
Roth
, T. C.
Sangster
, M. S.
Singh
, R. A.
Snavely
, M. A.
Stoyer
, S. C.
Wilks
, and K.
Yasuike
, Phys. Plasmas
7
, 2076
(2000
);S. C.
Wilks
, A. B.
Langdon
, T. E.
Cowan
, M.
Roth
, M.
Singh
, S.
Hatchett
, M. H.
Key
, D.
Pennington
, A.
MacKinnon
, and R. A.
Snavely
, Phys. Plasmas
8
, 542
(2001
).25.
K.
Nemoto
, A.
Maksimchuk
, S.
Banerjee
, K.
Flippo
, G.
Mourou
, D.
Umstadter
, and V. Yu.
Bychenkov
, Appl. Phys. Lett.
78
, 595
(2001
).26.
M. S.
Wei
, S. P.D.
Mangles
, Z.
Najmudin
, B.
Walton
, A.
Gopal
, M.
Tatarakis
, A. E.
Dangor
, E. L.
Clark
, R. G.
Evans
, S.
Fritzler
, R. J.
Clarke
, C.
Hernandez-Gomez
, D.
Neely
, W.
Mori
, M.
Tzoufras
, and K.
Krushelnick
, Phys. Rev. Lett.
93
, 155003
(2004
).27.
L. O.
Silva
, M.
Marti
, J. R.
Davies
, R. A.
Fonseca
, C.
Ren
, F. S.
Tsung
, and W. B.
Mori
, Phys. Rev. Lett.
92
, 015002
(2004
);
[PubMed]
E.
d’Humieres
, E.
Lefebvre
, L.
Gremillet
, and V.
Malka
, Phys. Plasmas
12
, 062704
(2005
).28.
T.
Toncian
, M.
Borghesi
, J.
Fuchs
, E.
d’Humières
, P.
Antici
, P.
Audebert
, E.
Brambrink
, C. A.
Cecchetti
, A.
Pipahl
, L.
Romagnani
, and O.
Willi
, Science
312
, 410
(2006
).29.
A.
Noda
, S.
Nakamura
, Y.
Iwashita
, S.
Sakabe
, M.
Hashida
, T.
Shirai
, S.
Shimizu
, H.
Tongu
, H.
Ito
, H.
Souda
, A.
Yamazaki
, M.
Tanabe
, H.
Daido
, M.
Mori
, M.
Kado
, A.
Sagisaka
, K.
Ogura
, M.
Nishiuchi
, S.
Orimo
, Y.
Hayashi
, A.
Yogo
, S.
Bulanov
, T.
Esirkepov
, A.
Nagashima
, T.
Kimura
, T.
Tajima
, T.
Takeuchi
, K.
Matsukado
, A.
Fukumi
, and Z.
Li
, Laser Phys.
16
, 647
(2006
);A.
Noda
, S.
Nakamura
, Y.
Iwashita
, T.
Shirai
, H.
Tongu
, H.
Souda
, H.
Daido
, M.
Mori
, M.
Kado
, A.
Sagisaka
, K.
Ogura
, M.
Nishiuchi
, S.
Orimo
, Y.
Hayashi
, A.
Yogo
, A.
Pirozhkov
, S.
Bulanov
, T.
Esirkepov
, A.
Nagashima
, T.
Kimura
, T.
Tajima
, T.
Takeuchi
, A.
Fukumi
, and Z.
Li
, Int. J. Mod. Phys. B
21
, 319
(2007
);S.
Nakamura
, M.
Ikegami
, Y.
Iwashita
, T.
Shirai
, H.
Tongu
, H.
Souda
, H.
Daido
, M.
Mori
, M.
Kado
, A.
Sagisaka
, K.
Ogura
, M.
Nishiuchi
, S.
Orimo
, Y.
Hayashi
, A.
Yogo
, A. S.
Pirozhkov
, S. V.
Bulanov
, T.
Esirkepov
, A.
Nagashima
, T.
Kimura
, T.
Tajima
, T.
Takeuchi
, A.
Fukumi
, Z.
Li
, and A.
Noda
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
, 46
, L717
(2007
).30.
P.
Patel
, A. J.
Mackinnon
, M. H.
Key
, T. E.
Cowan
, M. E.
Foord
, M.
Allen
, D. F.
Price
, H.
Ruhl
, P. T.
Springer
, and R.
Stephens
, Phys. Rev. Lett.
91
, 125004
(2003
).31.
B. M.
Hegelich
, B. J.
Albright
, J.
Cobble
, K.
Flippo
, S.
Letzring
, M.
Paffett
, H.
Ruhl
, J.
Schreiber
, R. K.
Schulze
, and J. C.
Fernandez
, Nature (London)
439
, 441
(2006
);H.
Schwoerer
, S.
Pfotenhauer
, O.
Jäckel
, K. -U.
Amthor
, B.
Liesfeld
, W.
Ziegler
, R.
Sauerbrey
, K. W. D.
Ledingham
, and T.
Esirkepov
, Nature (London)
439
, 445
(2006
).32.
J.
Fuchs
, Y.
Sentoku
, S.
Karsch
, M.
Roth
, R.
Stephens
, P.
Audebert
, E.
Bambrink
, A.
Blazevic
, J. -C.
Gauthier
, M.
Geissel
, M.
Hegelich
, H.
Pepin
, H.
Ruhl
, E. M.
Campbell
, and T. E.
Cowan
, Phys. Rev. Lett.
94
, 045004
(2005
).33.
J.
Fuchs
, Y.
Sentoku
, E.
d’Humières
, T. E.
Cowan
, J.
Cobble
, P.
Audebert
, A.
Kemp
, A.
Nikroo
, P.
Antici
, E.
Brambrink
, A.
Blazevic
, E. M.
Campbell
, J. C.
Fernández
, J. -C.
Gauthier
, M.
Geissel
, M.
Hegelich
, S.
Karsch
, H.
Popescu
, N.
Renard-LeGalloudec
, M.
Roth
, J.
Schreiber
, R.
Stephens
, and H.
Pépin
, Phys. Plasmas
14
, 053105
(2007
).34.
T.
Ceccotti
, A.
Lévy
, H.
Popescu
, F.
Réau
, P.
D’Oliveira
, P.
Monot
, J. P.
Geindre
, E.
Lefebvre
, and Ph.
Martin
, Phys. Rev. Lett.
99
, 185002
(2007
).35.
M.
Allen
, P. K.
Patel
, A.
Mackinnon
, D.
Price
, S.
Wilks
, and E.
Morse
, Phys. Rev. Lett.
93
, 265004
(2004
).36.
S.
Gitomer
, R.
Jones
, F.
Begay
, A.
Ehler
, J.
Kephart
, and R.
Kristal
, Phys. Fluids
29
, 2679
(1986
).37.
P.
Mora
, Phys. Rev. E
72
, 056401
(2005
).38.
L.
Romagnani
, J.
Fuchs
, M.
Borghesi
, P.
Antici
, P.
Audebert
, F.
Ceccherini
, T.
Cowan
, T.
Grismayer
, S.
Kar
, A.
Macchi
, P.
Mora
, G.
Pretzler
, A.
Schiavi
, T.
Toncian
, and O.
Willi
, Phys. Rev. Lett.
95
, 195001
(2005
).39.
A. J.
Kemp
, J.
Fuchs
, Y.
Sentoku
, V.
Sotnikov
, M.
Bakeman
, P.
Antici
, and T.
Cowan
, Phys. Rev. E
75
, 056401
(2007
).40.
T. E.
Cowan
, J.
Fuchs
, H.
Ruhl
, Y.
Sentoku
, A.
Kemp
, P.
Audebert
, M.
Roth
, R.
Stephens
, I.
Barton
, A.
Blazevic
, E.
Brambrink
, J.
Cobble
, J. C.
Fernández
, J. -C.
Gauthier
, M.
Geissel
, M.
Hegelich
, J.
Kaae
, S.
Karsch
, G. P.
Le Sage
, S.
Letzring
, M.
Manclossi
, S.
Meyroneinc
, A.
Newkirk
, H.
Pépin
, and N.
Renard-LeGalloudec
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
544
, 277
(2005
).41.
H.
Ruhl
, T.
Cowan
, and J.
Fuchs
, Phys. Plasmas
11
, L17
(2004
).42.
B.
Hamm
, personal communication (2006).43.
A.
Chao
and M.
Tigner
, Handbook of Accelerator Physics and Engineering
(World Scientific
, Singapore
, 1999
).44.
Centre de Protonthérapie d’Orsay; Indiana University Cyclotron Facility; Pulsar: product of the company Accsys; CERN: LHC proton accelerator; Spallation Neutron Source; European spallation source (in project).
45.
P.
McKenna
, K. W. D.
Ledingham
, I.
Spencer
, T.
McCany
, R. P.
Singhal
, C.
Ziener
, P. S.
Foster
, E. J.
Divall
, C. J.
Hooker
, D.
Neely
, A. J.
Langley
, R. J.
Clarke
, P. A.
Norreys
, K.
Krushelnick
, and E. L.
Clark
, Rev. Sci. Instrum.
73
, 4176
(2002
);I.
Spencer
, K. W. D.
Ledingham
, P.
McKenna
, T.
McCanny
, R. P.
Singhal
, P. S.
Foster
, D.
Neely
, A. J.
Langley
, E. J.
Divall
, C. J.
Hooker
, R. J.
Clarke
, P. A.
Norreys
, E. L.
Clark
, K.
Krushelnick
, and J. R.
Davies
, Phys. Rev. E
67
, 046402
(2003
);S.
Fritzler
, V.
Malka
, G.
Grillon
, J. P.
Rousseau
, F.
Burgy
, E.
Lefebvre
, E.
d’Humières
, P.
McKenna
, and K. W. D.
Ledingham
, Appl. Phys. Lett.
83
, 3039
(2003
).46.
F.
Ple
, M.
Pittman
, G.
Jamelot
, and J. P.
Chambaret
, Opt. Lett.
32
, 238
(2007
).47.
J.
Hein
, M. C.
Kaluza
, R.
Bödefeld
, M.
Siebold
, S.
Podleska
, and R.
Sauerbrey
, Lect. Notes Phys.
694
, 47
(2006
);C. J.
Hooker
, J. L.
Collier
, O.
Chekhlov
, R.
Clarke
, E.
Divall
, K.
Ertel
, B.
Fell
, P.
Foster
, S.
Hancock
, A.
Langley
, D.
Neely
, J.
Smith
, and B.
Wyborn
, J. Phys. IV France
133
, 673
(2006
);E. J.
Gerstner
, Nature (London)
446
, 16
(2007
);© 2008 American Institute of Physics.
2008
American Institute of Physics
You do not currently have access to this content.
