It was recently shown that a promising way to accelerate protons in the forward direction to high energies is to use under-dense or near-critical density targets instead of solids. Simulations have revealed that the acceleration process depends on the density gradients of the plasma target. Indeed, under certain conditions, the most energetic protons are predicted to be accelerated by a collisionless shock mechanism that significantly increases their energy. We report here the results of a recent experiment dedicated to the study of longitudinal ion acceleration in partially exploded foils using a high intensity (∼5 × 1018 W/cm2) picosecond laser pulse. We show that protons accelerated using targets having moderate front and rear plasma gradients (up to ∼8 μm gradient length) exhibit similar maximum proton energy and number compared to proton beams that are produced, in similar laser conditions, from solid targets, in the well-known target normal sheath acceleration regime. Particle-In-Cell simulations, performed in the same conditions as the experiment and consistent with the measurements, allow laying a path for further improvement of this acceleration scheme.

1.
T. E.
Cowan
,
J.
Fuchs
,
H.
Ruhl
,
A.
Kemp
,
P.
Audebert
,
M.
Roth
,
R.
Stephens
,
I.
Barton
,
A.
Blazevic
,
E.
Brambrink
,
J.
Cobble
,
J.
Fernandez
,
J. C.
Gauthier
,
M.
Geissel
,
M.
Hegelich
,
J.
Kaae
,
S.
Karsch
,
G. P.
Le Sage
,
S.
Letzring
,
M.
Manclossi
,
S.
Meyroneinc
,
A.
Newkirk
,
H.
Pepin
, and
N.
Renard-LeGalloudec
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
204801
(
2004
).
2.
S. V.
Bulanov
and
V. S.
Khoroshkov
,
Plasma Phys. Rep.
28
,
453
(
2002
);
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]
3.
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
).
4.
A.
Mancic
,
J.
Robiche
,
P.
Antici
,
P.
Audebert
,
C.
Blancard
,
P.
Combis
,
F.
Dorchies
,
G.
Faussurier
,
S.
Fourmaux
,
M.
Harmand
,
R.
Kodama
,
L.
Lancia
,
S.
Mazevet
,
M.
Nakatsutsumi
,
O.
Peyrusse
,
V.
Recoules
,
P.
Renaudin
,
R.
Shepherd
, and
J.
Fuchs
,
High Energy Dens. Phys.
6
,
21
(
2010
).
5.
P.
Antici
,
M.
Migliorati
,
A.
Mostacci
,
L.
Picardi
,
L.
Palumbo
, and
C.
Ronsivalle
,
Phys. Plasmas
18
,
073103
(
2011
);
P.
Antici
,
M.
Fazi
,
A.
Lombardi
,
M.
Migliorati
,
L.
Palumbo
,
P.
Audebert
, and
J.
Fuchs
,
J. Appl. Phys.
104
,
124901
(
2008
).
6.
S.
Buffechoux
,
J.
Psikal
,
M.
Nakatsutsumi
,
L.
Romagnani
,
A.
Andreev
,
K.
Zeil
,
M.
Amin
,
P.
Antici
,
T.
Burris-Mog
,
A.
Compant-La-Fontaine
,
E.
D'Humieres
,
S.
Fourmaux
,
S.
Gaillard
,
F.
Gobet
,
F.
Hannachi
,
S.
Kraft
,
A.
Mancic
,
C.
Plaisir
,
G.
Sarri
,
M.
Tarisien
,
T.
Toncian
,
U.
Schramm
,
M.
Tampo
,
P.
Audebert
,
O.
Willi
,
T. E.
Cowan
,
H.
Pepin
,
V.
Tikhonchuk
,
M.
Borghesi
, and
J.
Fuchs
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
015005
(
2010
).
7.
S.
Fourmaux
,
S.
Buffechoux
,
B.
Albertazzi
,
D.
Capelli
,
A.
Lévy
,
S.
Gnedyuk
,
L.
Lecherbourg
,
P.
Lassonde
,
S.
Payeur
,
P.
Antici
,
H.
Pépin
,
R. S.
Marjoribanks
,
J.
Fuchs
, and
J. C.
Kieffer
,
Phys. Plasmas
20
,
013110
(
2013
).
8.
K.
Zeil
,
S. D.
Kraft
,
S.
Bock
,
M.
Bussmann
,
T. E.
Cowan
,
T.
Kluge
,
J.
Metzkes
,
T.
Richter
,
R.
Sauerbrey
, and
U.
Schramm
,
New J. Phys.
12
,
045015
(
2010
).
9.
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
).
10.
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
).
11.
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
).
12.
S. C.
Wilks
,
W. L.
Kruer
,
M.
Tabak
, and
A. B.
Langdon
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
1383
(
1992
).
14.
P.
Antici
,
J.
Fuchs
,
M.
Borghesi
,
L.
Gremillet
,
T.
Grismayer
,
Y.
Sentoku
,
E.
d'Humières
,
C. A.
Cecchetti
,
A.
Mančić
,
A. C.
Pipahl
,
T.
Toncian
,
O.
Willi
,
P.
Mora
, and
P.
Audebert
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
105004
(
2008
).
15.
L.
Yin
,
B. J.
Albright
,
B. M.
Hegelich
, and
J. C.
Fernandez
,
Laser Part. Beams
24
,
291
(
2006
);
L.
Yin
,
B. J.
Albright
,
B. M.
Hegelich
,
K. J.
Bowers
,
K. A.
Flippo
,
T. J. T.
Kwan
, and
J. C.
Fernández
,
Phys. Plasmas
14
,
056706
(
2007
).
16.
B. M.
Hegelich
,
D.
Jung
,
B. J.
Albright
,
M.
Cheung
,
B.
Dromey
,
D. C.
Gautier
,
C.
Hamilton
,
S.
Letzring
,
R.
Munchhausen
,
S.
Palaniyappan
,
R.
Shah
,
H.-C.
Wu
,
L.
Yin
, and
J. C.
Fernández
, “
160 MeV laser-accelerated protons from CH2 nano-targets for proton cancer therapy
,” e-print arXiv:1310.8650.
17.
L. O.
Silva
,
M.
Marti
,
J. R.
Davies
, and
R. A.
Fonseca
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
015002
(
2004
).
18.
F.
Fiuza
,
A.
Stockem
,
E.
Boella
,
R. A.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
D.
Haberberger
,
S.
Tochitsky
,
C.
Gong
,
W. B.
Mori
, and
C.
Joshi
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
215001
(
2012
).
19.
C. A.
Palmer
,
N. P.
Dover
,
I.
Pogorelsky
,
M.
Babzien
,
G. I.
Dudnikova
,
M.
Ispiriyan
,
M. N.
Polyanskiy
,
J.
Schreiber
,
P.
Shkolnikov
,
V.
Yakimenko
, and
Z.
Najmudin
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
014801
(
2011
).
20.
D.
Haberberger
,
S.
Tochitsky
,
F.
Fiuza
,
C.
Gong
,
R. A.
Fonseca
,
L. O.
Silva
,
W. B.
Mori
, and
C.
Joshi
,
Nature Phys.
8
,
95
(
2012
).
21.
M. C.
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
).
22.
T.
Grismayer
and
P.
Mora
,
Phys. Plasmas
13
,
032103
(
2006
).
23.
J.
Fuchs
,
C. A.
Cecchetti
,
M.
Borghesi
,
T.
Grismayer
,
E.
d'Humières
,
P.
Antici
,
S.
Atzeni
,
P.
Mora
,
A.
Pipahl
,
L.
Romagnani
,
A.
Schiavi
,
Y.
Sentoku
,
T.
Toncian
,
P.
Audebert
, and
O.
Willi
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
015002
(
2007
).
24.
A.
Lévy
,
R.
Nuter
,
T.
Ceccotti
,
P.
Combis
,
M.
Drouin
,
L.
Gremillet
,
P.
Monot
,
H.
Popescu
,
F.
Réau
,
E.
Lefebvre
, and
P.
Martin
,
New J. Phys.
11
,
093036
(
2009
).
25.
P.
Antici
,
J.
Fuchs
,
E.
d'Humières
,
J.
Robiche
,
E.
Brambrink
,
S.
Atzeni
,
A.
Schiavi
,
Y.
Sentoku
,
P.
Audebert
, and
H.
Pépin
,
New J. Phys.
11
,
023038
(
2009
).
26.
E.
d'Humiéres
,
J. L.
Feugeas
,
P.
Nicolaï
,
S.
Gaillard
,
T.
Cowan
,
Y.
Sentoku
, and
V.
Tikhonchuk
,
J. Phys.: Conf. Ser.
244
,
042023
(
2010
).
27.
E.
d'Humières
,
P.
Antici
,
M.
Glesser
,
J.
Boeker
,
F.
Cardelli
,
S.
Chen
,
J. L.
Feugeas
,
F.
Filippi
,
M.
Gauthier
,
A.
Levy
,
P.
Nicolaï
,
H.
Pépin
,
L.
Romagnani
,
M.
Scisciò
,
V. T.
Tikhonchuk
,
O.
Willi
,
J. C.
Kieffer
, and
J.
Fuchs
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
55
,
124025
(
2013
).
28.
S. V.
Bulanov
,
D. V.
Dylov
,
T.
Zh. Esirkepov
,
F. F.
Kamenets
, and
D. V.
Sokolov
,
Plasma Phys. Rep.
31
,
369
(
2005
).
29.
A.
Yogo
,
H.
Daido
,
S. V.
Bulanov
,
K.
Nemoto
,
Y.
Oishi
,
T.
Nayuki
,
T.
Fujii
,
K.
Ogura
,
S.
Orimo
,
A.
Sagisaka
,
J.-L.
Ma
,
T.
Zh. Esirkepov
,
M.
Mori
,
M.
Nishiuchi
,
A. S.
Pirozhkov
,
S.
Nakamura
,
A.
Noda
,
H.
Nagatomo
,
T.
Kimura
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. E
77
,
016401
(
2008
).
30.
T.
Nakamura
,
J. K.
Koga
,
T. Z.
Esirkepov
,
M.
Kando
,
G.
Korn
, and
S. V.
Bulanov
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
195001
(
2012
).
31.
A.
Mančić
,
J.
Fuchs
,
P.
Antici
,
S. A.
Gaillard
, and
P.
Audebert
,
Rev. Sci. Intrum.
79
,
073301
(
2008
).
32.
T.
Bonnet
,
M.
Comet
,
D.
Denis-Petit
,
F.
Gobet
,
F.
Hannachi
,
M.
Tarisien
,
M.
Versteegen
, and
M. M.
Aléonard
,
Rev. Sci. Instrum.
84
,
013508
(
2013
).
33.
A.
Mancic
, Ph.D. thesis,
Ecole Polytechnique
, Palaiseau,
2010
.
34.
F.
Lindau
,
O.
Lundh
,
A.
Persson
,
P.
McKenna
,
K.
Osvay
,
D.
Batani
, and
C.-G.
Wahlström
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
175002
(
2005
).
35.
J.
Breil
,
P.
Maire
,
Ph.
Nicolai
, and
G.
Schurtz
,
J. Phys.: Conf. Ser.
112
,
022035
(
2008
).
36.
K.
Bockasten
,
J. Opt. Soc. Am.
51
,
943
(
1961
).
37.
J.
Fuchs
,
P.
Antici
,
E.
d'Humières
,
E.
Lefebvre
,
M.
Borghesi
,
E.
Brambrink
,
C.
Cecchetti
,
T.
Toncian
,
H.
Pépin
, and
P.
Audebert
,
J. Phys. IV (France)
133
,
1151
(
2006
).
38.
P.
Antici
,
J.
Fuchs
,
E.
d'Humières
,
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
).
39.
C.
Fauquignon
and
F.
Floux
,
Phys. Fluids
13
,
386
(
1970
);
J. L.
Bobin
,
Phys. Fluids
14
,
2341
(
1971
).
40.
Y.
Sentoku
and
A. J.
Kemp
,
J. Comp. Phys.
227
,
6846
(
2008
).
41.
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
).
42.
K.
Krushelnick
,
E. L.
Clark
,
Z.
Najmudin
,
M.
Salvati
,
M. I. K.
Santala
,
M.
Tatarakis
, and
A. E.
Dangor
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
737
(
1999
).
43.
A.
Lévy
,
T.
Ceccotti
,
P.
D'Oliveira
,
F.
Réau
,
M.
Perdrix
,
F.
Quéré
,
P.
Monot
,
M.
Bougeard
,
H.
Lagadec
,
P.
Martin
,
J.-P.
Geindre
, and
P.
Audebert
,
Opt. Lett.
32
,
310
(
2007
).
44.
E.
d'Humières
and
V.
Tikhonchuk
,
AIP Conf. Proc.
1299
,
704
(
2010
).
You do not currently have access to this content.