Phenomena consistent with self-collimation (or weak self-focusing) of laser target-normal-sheath-accelerated protons was experimentally observed for the first time, in a specially engineered structure (“lens”) consisting of a stack of 300 thin aluminum foils separated by 50 μm vacuum gaps. The experiments were carried out in a “passive environment,” i.e., no external fields applied, neutralization plasma or injection of secondary charged particles was imposed. Experiments were performed at the petawatt “PHELIX” laser user facility (E = 100 J, Δt = 400 fs, λ = 1062 nm) at the “Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung–GSI” in Darmstadt, Germany. The observed rms beam spot reduction depends inversely on energy, with a focusing degree decreasing monotonically from 2 at 5.4 MeV to 1.5 at 18.7 MeV. The physics inside the lens is complex, resulting in a number of different mechanisms that can potentially affect the particle dynamics within the structure. We present a plausible simple interpretation of the experiment in which the combination of magnetic self-pinch forces generated by the beam current together with the simultaneous reduction of the repulsive electrostatic forces due to the foils are the dominant mechanisms responsible for the observed focusing/collimation. This focusing technique could be applied to a wide variety of space-charge dominated proton and heavy ion beams and impact fields and applications, such as HEDP science, inertial confinement fusion in both fast ignition and heavy ion fusion approaches, compact laser-driven injectors for a Linear Accelerator (LINAC) or synchrotron, medical therapy, materials processing, etc.

1.
K.
Harres
,
I.
Alber
,
A.
Tauschwitz
,
V.
Bagnoud
,
H.
Daido
,
M.
Günther
,
F.
Nürnberg
,
A.
Otten
,
M.
Schollmeier
,
J.
Schütrumpf
,
M.
Tampo
, and
M.
Roth
,
Phys. Plasmas
17
,
023107
(
2010
).
2.
M.
Nishiuchi
,
H.
Sakaki
,
T.
Hori
,
P. R.
Bolton
,
K.
Ogura
,
A.
Sagisaka
,
A.
Yogo
,
M.
Mori
,
S.
Orimo
,
A. S.
Pirozhkov
,
I.
Daito
,
H.
Kiriyama
,
H.
Okada
,
S.
Kanazawa
,
S.
Kondo
,
T.
Shimomura
,
M.
Tanoue
,
Y.
Nakai
,
H.
Sasao
,
D.
Wakai
,
H.
Daido
,
K.
Kondo
,
H.
Souda
,
H.
Tongu
,
A.
Noda
,
Y.
Iseki
,
T.
Nagafuchi
,
K.
Maeda
,
K.
Hanawa
,
T.
Yoshiyuki
, and
T.
Shirai
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
13
,
071304
(
2010
).
3.
M.
Basko
,
A. A.
Drozdovskii
,
A. A.
Golubev
,
K. L.
Gubskii
,
D. D.
Iosseliani
,
A. V.
Kantsyrev
,
M. A.
Karpov
,
A. P.
Kuznetsov
,
Yu. B.
Novozhilov
,
O. V.
Pronin
,
S. M.
Savin
,
P. V.
Sasorov
,
D. A.
Sobur
,
B.
Yu. Sharkov
, and
V. V.
Yanenko
,
Phys. Part. Nucl. Lett.
5
,
582
585
(
2008
).
4.
A.
Tauschwitz
,
E.
Boggasch
,
D. H. H.
Hoffmann
,
J.
Jacoby
,
U.
Neuner
,
M.
Stetter
,
S.
Stöwe
,
R.
Tkotz
,
M.
De Magistris
, and
W.
Seelig
,
Laser Part. Beams
13
,
221
229
, (
1995
).
5.
P. A.
Seidl
,
A.
Anders
,
F. M.
Bieniosek
,
J. J.
Barnard
,
J.
Calanog
,
A. X.
Chen
,
R. H.
Cohen
,
J. E.
Coleman
,
M.
Dorf
,
E. P.
Gilson
,
D. P.
Grote
,
J. Y.
Jung
,
M.
Leitner
,
S. M.
Lidia
,
B. G.
Logan
,
P.
Ni
,
P. K.
Roy
,
K.
Van den Bogert
,
W. L.
Waldron
, and
D. R.
Welch
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
606
(
1–2
),
75
82
(
2009
).
6.
S.
Ter-Avetisyan
,
M.
Schnürer
,
R.
Polster
,
P. V.
Nickles
, and
W.
Sandner
,
Laser Part. Beams
26
,
637
642
, (
2008
).
7.
T.
Bartal
,
M. E.
Foord
,
C.
Bellei
,
M. H.
Key
,
K. A.
Flippo
,
S. A.
Gaillard
,
D. T.
Offermann
,
P. K.
Patel
,
L. C.
Jarrott
,
D. P.
Higginson
,
M.
Roth
,
A.
Otten
,
D.
Kraus
,
R. B.
Stephens
,
H. S.
McLean
,
E. M.
Giraldez
,
M. S.
Wei
,
D. C.
Gautier
, and
F. N.
Beg
,
Nat. Phys.
8
,
139
(
2011
), and references therein.
8.
M.
Schollmeier
,
S.
Becker
,
M.
Geißel
,
K. A.
Flippo
,
A.
Blažević
,
S. A.
Gaillard
,
D. C.
Gautier
,
F.
Grüner
,
K.
Harres
,
M.
Kimmel
,
F.
Nürnberg
,
P.
Rambo
,
U.
Schramm
,
J.
Schreiber
,
J.
Schütrumpf
,
J.
Schwarz
,
N. A.
Tahir
,
B.
Atherton
,
D.
Habs
,
B. M.
Hegelich
, and
M.
Roth
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
055004
(
2008
).
9.
H.
Ruhl
,
T.
Cowan
,
J.
Dahlburg
,
P.
Parks
, and
R.
Stephens
,
Nucl. Fusion
44
,
438
442
(
2004
).
10.
O.
Willi
,
T.
Toncian
,
M.
Borghesi
,
J.
Fuchs
,
E.
d'Humières
,
P.
Antici
,
P.
Audebert
,
E.
Brambrink
,
C.
Cecchetti
,
A.
Pipahl
, and
L.
Romagnani
,
Laser Part. Beams
25
,
71
77
(
2007
).
11.
S. N.
Chen
,
E.
d'Humières
,
E.
Lefebvre
,
L.
Romagnani
,
T.
Toncian
,
P.
Antici
,
P.
Audebert
,
E.
Brambrink
,
C. A.
Cecchetti
,
T.
Kudyakov
,
A.
Pipahl
,
Y.
Sentoku
,
M.
Borghesi
,
O.
Willi
, and
J.
Fuchs
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
055001
(
2012
).
12.
P. K.
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
), and references therein.
13.
E.
Henestroza
,
B. G.
Logan
, and
L. J.
Perkins
,
Phys. Plasmas
18
,
032702
(
2011
).
14.
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
).
15.
M.
Roth
,
D.
Jung
,
K.
Falk
,
N.
Guler
,
O.
Deppert
,
M.
Devlin
,
A.
Favalli
,
J.
Fernandez
,
D.
Gautier
,
M.
Geissel
,
R.
Haight
,
C. E.
Hamilton
,
B. M.
Hegelich
,
R. P.
Johnson
,
F.
Merrill
,
G.
Schaumann
,
K.
Schoenberg
,
M.
Schollmeier
,
T.
Shimada
,
T.
Taddeucci
,
J. L.
Tybo
,
F.
Wagner
,
S. A.
Wender
,
C. H.
Wilde
, and
G. A.
Wurden
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
044802
(
2013
).
16.
F.
Nürnberg
,
I.
Alber
,
K.
Harres
,
M.
Schollmeier
,
W.
Barth
,
H.
Eickhoff
,
I.
Hofmann
,
A.
Friedman
,
D. P.
Grote
,
B. G.
Logan
, and
M.
Roth
,
J. Phys.: Conf. Ser.
244
,
022052
(
2010
).
17.
H.
Chen
,
S. C.
Wilks
,
J. D.
Bonlie
,
S. N.
Chen
,
K. V.
Cone
,
L. N.
Elberson
,
G.
Gregori
,
D. D.
Meyerhofer
,
J.
Myatt
,
D. F.
Price
,
M. B.
Schneider
,
R.
Shepherd
,
D. C.
Stafford
,
R.
Tommasini
,
R.
Van Maren
, and
P.
Beiersdorfer
,
Phys. Plasmas
16
,
122702
(
2009
).
18.
I.
Hofmann
,
J.
Meyer-ter-Vehn
,
X.
Yan
, and
H.
Al-Omarif
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
681
,
44
54
(
2012
).
19.
A.
Snavely
,
B.
Zhang
,
K.
Akli
,
Z.
Chen
,
R. R.
Freeman
,
P.
Gu
,
S. P.
Hatchett
,
D.
Hey
,
J.
Hill
,
M. H.
Key
,
Y.
Izawa
,
J.
King
,
Y.
Kitagawa
,
R.
Kodama
,
A. B.
Langdon
,
B. F.
Lasinski
,
A.
Lei
,
A. J.
MacKinnon
,
P.
Patel
,
R.
Stephens
,
M.
Tampo
,
K. A.
Tanaka
,
R.
Town
,
Y.
Toyama
,
T.
Tsutsumi
,
S. C.
Wilks
,
T.
Yabuuchi
, and
J.
Zheng
,
Phys. Plasmas
14
,
092703
(
2007
).
20.
R.
Sonobe
,
S.
Kawata
,
S.
Miyazaki
,
M.
Nakamura
, and
T.
Kikuchi
,
Phys. Plasmas
12
,
073104
(
2005
).
21.
S.
Kawata
,
T.
Izumiyama
,
T.
Nagashima
,
M.
Takanao
,
D.
Barada
,
Q.
Kong
,
Y. J.
Gu
,
P. X.
Wang
,
Y. Y.
Ma
, and
W. M.
Wang
,
Laser Ther.
22
,
103
(
2013
).
22.
Ute
Linz
and
J.
Alonso
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
10
,
094801
(
2007
).
23.
S. M.
Lund
,
R. H.
Cohen
, and
P. A.
Ni
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
16
,
044202
(
2013
).
24.
P. A.
Ni
,
B. G.
Logan
,
S. M.
Lund
,
N.
Alexander
,
F. M.
Bieniosek
,
R. H.
Cohen
,
M.
Roth
, and
G.
Schaumann
,
Laser Part. Beams
31
,
81
88
(
2013
).
25.
P. F.
Ottinger
,
F. C.
Young
,
S. J.
Stephanakis
,
D. V.
Rose
,
J. M.
Neri
,
B. V.
Weber1
,
M. C.
Myers
,
D. D.
Hinshelwood
,
D.
Mosher
,
C. L.
Olson
, and
D. R.
Welch
,
Phys. Plasmas
7
,
346
(
2000
).
26.
S. C.
Wilks
,
A. B.
Langdon
,
T. E.
Cowan
,
M.
Roth
, and
M.
Singh
,
Phys. Plasmas
8
,
542
(
2001
).
27.
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
).
28.
C.
Bellei
,
M. E.
Foord
,
T.
Bartal
,
M. H.
Key
,
H. S.
McLean
,
P. K.
Patel
,
R. B.
Stephens
, and
F. N.
Beg
,
Phys. Plasmas
19
,
033109
(
2012
).
29.
F.
Nürnberg
,
M.
Schollmeier
,
E.
Brambrink
,
A.
Blazevic
,
D. C.
Carroll
,
K.
Flippo
,
D. C.
Gautier
,
M.
Geißel
,
K.
Harres
,
B. M.
Hegelich
,
O.
Lundh
,
K.
Markey
,
P.
McKenna
,
D.
Neely
,
J.
Schreiber
, and
M.
Roth
,
Rev. Sci. Instrum.
80
,
033301
(
2009
).
30.
R. F.
Hubbard
,
S. A.
Goldstein
, and
D. A.
Tidman
, “
Knock-on electrons in the target chamber
,” in
Proceedings of the Heavy Ion Fusion Workshop, Berkeley, California
,
1979
.
31.
A.
Frank
,
A.
Blažević
,
V.
Bagnoud
,
M. M.
Basko
,
M.
Börner
,
W.
Cayzac
,
D.
Kraus
,
T.
Heßling
,
D. H. H.
Hoffmann
,
A.
Ortner
,
A.
Otten
,
A.
Pelka
,
D.
Pepler
,
D.
Schumacher
,
An.
Tauschwitz
, and
M.
Roth
, “
Energy loss and charge transfer of argon in a laser-generated carbon plasma
,”
Phys. Rev. Lett.
110
,
115001
(
2013
).
You do not currently have access to this content.