Ion-driven fast ignition (IFI) may have significant advantages over electron-driven FI due to the potentially large reduction in the amount of energy required for the ignition beam and the laser driver. Recent experiments at the Los Alamos National Laboratory’s Trident facility employing novel Au flat-top cone targets have produced a fourfold increase in laser-energy to ion-energy efficiency, a 13-fold increase in the number of ions above 10MeV, and a few times increase in the maximum ion energy compared to Au flat-foil targets. Compared to recently published scaling laws, these gains are even greater. If the efficiency scales with intensity in accordance to flat-foil scaling, then, with little modification, these targets can be used to generate the pulse of ions needed to ignite thermonuclear fusion in the fast ignitor scheme. A proton energy of at least 30MeV was measured from the flat-top cone targets, and particle-in-cell (PIC) simulations show that the maximum cutoff energy may be as high as 4045MeV at modest intensity of 1×1019Wcm2 with 20J in 600fs. Simulations indicate that the observed energy and efficiency increase can be attributed to the cone target’s ability to guide laser light into the neck to produce hot electrons and transport these electrons to the flat-top of the cone where they can be heated to much higher temperatures, creating a hotter, denser sheath. The PIC simulations also elucidate the critical parameters for obtaining superior proton acceleration such as the dependence on laser contrast/plasma prefill, as well as longitudinal and transverse laser pointing, and cone geometry. These novel cones have the potential to revolutionize inertial confinement fusion target design and fabrication via their ability to be mass produced. In addition, they could have an impact on the general physics community studying basic electron and radiation transport phenomena or as better sources of particle beams to study equations of state and warm dense matter, or for hadron therapy, as new radioisotope generators, or for compact proton radiography sources.

1.
A.
Maksimchuk
,
S.
Gu
,
K.
Flippo
,
V. Y.
Bychenkov
, and
D.
Umstadter
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
4108
(
2000
);
[PubMed]
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.
Philips
,
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
);
E. L.
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
).
[PubMed]
2.
E.
Fourkal
,
B.
Shahine
,
M.
Ding
,
J. S.
Li
,
T.
Tajima
, and
C.-M.
Ma
,
Med. Phys.
29
,
2788
(
2002
).
3.
K.
Nemoto
,
A.
Maksimchuk
,
S.
Banerjee
,
K.
Flippo
,
G.
Mourou
,
D.
Umstadter
, and
V. Yu.
Bychenkov
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
595
(
2001
).
4.
K. W. D.
Ledingham
,
P.
McKenna
,
T.
McCanny
,
S.
Shimizu
,
J. M.
Yang
,
L.
Robson
,
J.
Zweit
,
J. M.
Gillies
,
J.
Bailey
,
G. N.
Chimon
,
R. J.
Clarke
,
D.
Neely
,
P. A.
Norreys
,
J. L.
Collier
,
R. P.
Singhal
,
M. S.
Wei
,
S. P. D.
Mangles
,
P.
Nilson
,
K.
Krushelnick
, and
M.
Zepf
,
J. Phys. D
37
,
23
(
2004
).
5.
P.
McKenna
,
K. W. D.
Ledingham
,
T.
McCanny
,
R. P.
Singhal
,
I.
Spencer
,
E. L.
Clark
,
F. N.
Beg
,
K.
Krushelnick
,
M. S.
Wei
,
J.
Galy
,
J.
Magill
,
R. J.
Clarke
,
K. L.
Lancaster
,
P. A.
Norreys
,
K.
Spohr
, and
R.
Chapman
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
273
(
2003
);
F.
Pegoraro
,
S. V.
Bulanov
,
T. Zh.
Esirkepov
,
P.
Migliozzi
, and
T.
Tajima
,
AIP Conf. Proc.
827
,
130
(
2006
).
6.
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
);
[PubMed]
V. Yu.
Bychenkov
,
W.
Rozmus
,
A.
Maksimchuk
,
D.
Umstader
, and
C. E.
Capjack
,
Plasma Phys. Rep.
27
,
1017
(
2001
).
7.
T. E.
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.
E. L.
Clark
,
K.
Krushelnick
,
M.
Zepf
,
F. N.
Beg
,
M.
Tatarakis
,
A.
Machacek
,
M. I. K.
Santala
,
I.
Watts
,
P. A.
Norreys
, and
A. E.
Dangor
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
1654
(
2000
).
9.
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
);
[PubMed]
M.
Allen
,
Y.
Sentoku
,
P.
Audebert
,
A.
Blazevic
,
T.
Cowan
,
J.
Fuchs
,
J. C.
Gauthier
,
M.
Geissel
,
M.
Hegelich
,
S.
Karsch
,
E.
Morse
,
P. K.
Patel
, and
M.
Roth
,
Phys. Plasmas
10
,
3283
(
2003
);
J. C.
Fernández
,
B. M.
Hegelich
,
J. A.
Cobble
,
K. A.
Flippo
,
S. A.
Letzring
,
R. P.
Johnson
,
D. C.
Gautier
,
T.
Shimada
,
G. A.
Kyrala
,
Y.
Wang
,
C. J.
Wetteland
, and
J.
Schreiber
,
Laser Part. Beams
23
,
267
(
2005
);
B. M.
Hegelich
,
B.
Albright
,
P.
Audebert
,
A.
Blazevic
,
E.
Brambrink
,
J.
Cobble
,
T.
Cowan
,
J.
Fuchs
,
J. C.
Gauthier
,
C.
Gautier
,
M.
Geissel
,
D.
Habs
,
R.
Johnson
,
S.
Karsch
,
A.
Kemp
,
S.
Letzring
,
M.
Roth
,
U.
Schramm
,
J.
Schreiber
,
K. J.
Witte
, and
J. C.
Fernandez
,
Phys. Plasmas
12
,
056314
(
2005
);
K.
Flippo
,
B. M.
Hegelich
,
B. J.
Albright
,
L.
Yin
,
D. C.
Gautier
,
S.
Letzring
,
M.
Schollmeier
,
J.
Schreiber
,
R.
Schulze
, and
J. C.
Fernandez
,
Laser Part. Beams
25
,
1
(
2007
).
10.
B. A.
Hammel
and the
National Ignition Campaign Team
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
48
,
B497
(
2006
).
11.
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
).
12.
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.
Audbert
,
Nat. Phys.
2
,
48
(
2005
).
13.
L.
Robson
,
P. T.
Simpson
,
R. J.
Clarke
,
K. W. D.
Ledingham
,
F.
Lindau
,
O.
Lundh
,
T.
McCanny
,
P.
Mora
,
D.
Neely
,
C.
Wahlström
,
M.
Zepf
, and
P.
McKenna
,
Nat. Phys.
3
,
58
(
2007
).
14.
B.
Albright
,
L.
Yin
,
B. M.
Hegelich
,
K. J.
Bowers
,
T. J. T.
Kwan
, and
J. C.
Fernández
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
115002
(
2006
).
15.
Y.
Sentoku
,
T. E.
Cowan
,
A.
Kemp
, and
H.
Ruhl
,
Phys. Plasmas
10
,
2009
(
2003
).
16.
A. J.
Mackinnon
,
Y.
Sentoku
,
P. K.
Patel
,
D. W.
Price
,
S.
Hatchett
,
M. H.
Key
,
C.
Andersen
,
R.
Snavely
, and
R. R.
Freeman
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
215006
(
2002
).
17.
M.
Kaluza
,
J.
Schreiber
,
M. I. K.
Santala
,
G. D.
Tsakiris
,
K.
Eidmann
,
J.
Meyer-ter-Vehn
, and
K. J.
Witte
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
045003
(
2004
).
18.
P.
Antici
,
J.
Fuchs
,
E.
d’Humiéres
,
E.
Lefebvre
,
M.
Borghesi
,
E.
Brambrink
,
C. A.
Cecchetti
,
S.
Gaillard
,
L.
Romagnani
,
Y.
Sentoku
,
T.
Toncian
,
O.
Willi
,
P.
Audebert
, and
H.
Pépin
,
Phys. Plasmas
14
,
030701
(
2007
).
19.
A.
Yogo
,
H.
Daido
,
A.
Fukumi
,
Z.
Li
,
K.
Ogura
,
A.
Sagisaka
, and
A. S.
Pirozkov
,
Phys. Plasmas
14
,
043104
(
2007
).
20.
R.
Kodama
,
Y.
Sentoku
,
Z. L.
Chen
,
G. R.
Kumar
,
S. P.
Hatchett
,
Y.
Toyama
,
T. E.
Cowan
,
R. R.
Freeman
,
J.
Fuchs
,
Y.
Izawa
,
M. H.
Key
,
Y.
Kitagawa
,
K.
Kondo
,
T.
Matsuoka
,
H.
Nakamura
,
M.
Nakatsutsumi
,
P. A.
Norreys
,
T.
Norimatsu
,
R. A.
Snavely
,
R. B.
Stephens
,
M.
Tampo
,
K. A.
Tanaka
, and
T.
Yabuuchi
,
Nature (London)
432
,
1005
(
2004
).
21.
K.
Flippo
,
E.
d’Humières
,
S. A.
Gaillard
,
J.
Rassuchine
,
D. C.
Gauthier
,
J. L.
Kline
,
R. P.
Johnson
,
M.
Schollmeier
,
F.
Nürnberg
,
K.
Harres
,
J.
Adams
,
B. J.
Albright
,
M.
Bakeman
,
G.
Korgan
,
S.
Malekos
,
N.
Renard-LeGalloudec
,
M.
Roth
,
Y.
Sentoku
,
T. E.
Cowan
,
B. M.
Hegelich
, and
J. C.
Fernandez
, “Increased efficiency and energy of laser-accelerated protons using novel cone targets,”
Phys. Rev. Lett.
(submitted).
22.
R. P.
Johnson
,
J.
Oertel
,
T.
Shimada
,
F.
Archuleta
,
S. H.
Batha
,
D. M.
Esquibel
,
K. A.
Flippo
,
C.
Gautier
,
R.
Gibson
,
R. P.
Gonzales
,
B. M.
Hegelich
,
C.
Hirsche
,
T. R.
Hurry
,
J.
Jorgenson
,
J. L.
Kline
,
S.
Letzering
,
F.
Lopez
,
T.
Ortiz
,
S. L.
Reid
,
M.
Sorem
, and
J. C.
Fernandez
, “The enhanced Trident laser facility at Los Alamos National Laboratory,”
J. Phys.: Conf. Ser.
(submitted).
23.
F.
Nürnberg
, Master’s thesis,
Technische Universität Darmstadt
,
2006
;
F.
Nürnberg
,
M.
Schollmeier
,
K.
Harres
,
A.
Blažević
,
P.
Audebert
,
E.
Brambrink
,
D. C.
Carroll
,
K.
Flippo
,
D. C.
Gautier
,
B. M.
Hegelich
,
O.
Lundh
,
K.
Markey
,
P.
McKenna
,
D.
Neely
, and
M.
Roth
, “Radiochromic film imaging spectroscopy,”
Rev. Sci. Instrum.
(to be submitted).
24.
S.
Gaillard
,
J.
Fuchs
,
N. R.-L.
Galloudec
, and
T. E.
Cowan
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
013304
(
2007
)
25.
J.
Rassuchine
,
E.
D'Humières
,
S. D.
Baton
,
P.
Guillou
,
M.
Koenig
,
J.
Fuchs
,
R.
Kodama
,
M.
Nakatsutsumi
,
N.
Ozaki
,
D.
Batani
,
A.
Morace
,
R.
Redaelli
,
L.
Gremillet
,
C.
Rousseaux
,
F.
Dorchies
,
C.
Fourment
,
J. J.
Santos
,
J.
Adams
,
G.
Korgan
,
S.
Malekos
,
S. B.
Hansen
,
Y.
Sentoku
, and
T. E.
Cowan
, “Enhanced hot electron localization and heating in high-contrast ultra-intense laser irradiation of sharp micro-cone targets,”
Phys. Rev. Lett.
(to be submitted).
26.
J. S.
Cowan
,
K. A.
Flippo
, and
S. A.
Gaillard
, “Characterization of radiochromic film (RCF) scanning techniques used in short-pulse-laser ion acceleration,”
Rev. Sci. Instrum.
(in press).
27.
A.
Maksimchuk
,
K.
Flippo
,
H.
Krause
,
G.
Mourou
,
K.
Nemoto
,
D.
Shultz
,
D.
Umstadter
,
R.
Vane
,
V. Yu.
Bychenkov
,
G. I.
Dudnikova
,
V. F.
Kovalev
,
K.
Mima
,
V. N.
Novikov
,
Y.
Sentoku
, and
S. V.
Tolokonnikov
,
Plasma Phys. Rep.
30
,
473
(
2004
).
28.
M.
Borghesi
,
J.
Fuchs
,
S. V.
Bulanov
,
A. J.
Mackinnon
,
P. K.
Patel
, and
M.
Roth
,
Fusion Sci. Technol.
49
,
412
(
2006
).
29.
J.
Schreiber
,
F.
Bell
,
F.
Grüner
,
U.
Schramm
,
M.
Geissler
,
M.
Schnürer
,
S.
Ter-Avetisyan
,
B. M.
Hegelich
,
J.
Cobble
,
E.
Brambrink
,
J.
Fuchs
,
P.
Audebert
, and
D.
Habs
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
045005
(
2006
).
30.
R. A.
Snavely
,
M. H.
Key
,
S. P.
Hatchett
,
T. E.
Cowan
,
M.
Roth
,
T. W.
Philips
,
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
).
31.
M.
Roth
,
E.
Brambrink
,
P.
Audebert
,
M.
Basko
,
A.
Blazevic
,
R.
Clarke
,
J.
Cobble
,
T. E.
Cowan
,
J.
Fernandez
,
J.
Fuchs
,
M.
Hegelich
,
K.
Ledingham
,
B. G.
Logan
,
D.
Neely
,
H.
Ruhl
, and
M.
Schollmeier
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
47
,
B841
(
2005
);
T. E.
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
).
[PubMed]
32.
Y.
Sentoku
,
A. J.
Kemp
,
R.
Presura
,
M. S.
Bakeman
, and
T. E.
Cowan
,
Phys. Plasmas
14
,
122701
(
2008
).
33.
Y.
Sentoku
,
V. Y.
Bychenkov
,
K.
Flippo
,
A.
Maksimchuk
,
K.
Mima
,
G.
Mourou
,
Z. M.
Sheng
, and
D.
Umstadter
,
Appl. Phys. B
74
,
207
(
2002
);
J.
Fuchs
,
Y.
Sentoku
,
S.
Karsch
,
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
,
H.
Pépin
,
H.
Popescu
,
N.
Renard-LeGalloudec
,
M.
Roth
,
J.
Schreiber
,
R.
Stephens
, and
T. E.
Cowan
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
045004
(
2005
).
[PubMed]
34.
M.
Schollmeier
,
M.
Roth
,
A.
Blažević
,
E.
Brambrink
,
J. A.
Cobble
,
J. C.
Fernandez
,
K. A.
Flippo
,
D. C.
Gautier
,
D.
Habs
,
K.
Harres
,
B. M.
Hegelich
,
T.
Heßling
,
D. H. H.
Hoffmann
,
S.
Letzring
,
F.
Nürnberg
,
G.
Schaumann
,
J.
Schreiber
, and
K.
Witte
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
577
,
186
(
2007
);
T. E.
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
).
[PubMed]
35.
M.
Nakatsutsumi
,
R.
Kodama
,
P. A.
Norreys
,
S.
Awano
,
H.
Nakamura
,
T.
Norimatsu
,
A.
Ooya
,
M.
Tampo
,
K. A.
Tanaka
,
T.
Tanimoto
,
T.
Tsutsumi
, and
T.
Yabuuchi
,
Phys. Plasmas
14
,
050701
(
2007
).
You do not currently have access to this content.