This article reports on an experimental method to fully reconstruct laser-accelerated proton beam parameters called radiochromic film imaging spectroscopy (RIS). RIS allows for the characterization of proton beams concerning real and virtual source size, envelope- and microdivergence, normalized transverse emittance, phase space, and proton spectrum. This technique requires particular targets and a high resolution proton detector. Therefore thin gold foils with a microgrooved rear side were manufactured and characterized. Calibrated GafChromic radiochromic film (RCF) types MD-55, HS, and HD-810 in stack configuration were used as spatial and energy resolved film detectors. The principle of the RCF imaging spectroscopy was demonstrated at four different laser systems. This can be a method to characterize a laser system with respect to its proton-acceleration capability. In addition, an algorithm to calculate the spatial and energy resolved proton distribution has been developed and tested to get a better idea of laser-accelerated proton beams and their energy deposition with respect to further applications.
REFERENCES
1.
A. P.
Fews
, P. A.
Norreys
, F. N.
Beg
, A. R.
Bell
, A. E.
Dangor
, C. N.
Danson
, P.
Lee
, and S. J.
Rose
, Phys. Rev. Lett.
73
, 1801
(1994
).2.
A.
Maksimchuk
, S.
Gu
, K.
Flippo
, D.
Umstadter
, and V. Yu.
Bychenkov
, Phys. Rev. Lett.
84
, 4108
(2000
).3.
E. L.
Clark
, K.
Krushelnick
, J. R.
Davis
, 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
).4.
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.
Cambell
, Phys. Rev. Lett.
85
, 2945
(2000
).5.
S. P.
Hatchett
, 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
).6.
A. J.
Mackinnon
, M.
Borghesi
, S.
Hatchett
, M. H.
Key
, P. K.
Patel
, H.
Campbell
, A.
Schiavi
, R.
Snavely
, S. C.
Wilks
, and O.
Willi
, Phys. Rev. Lett.
86
, 1769
(2001
).7.
L.
Robson
, P. T.
Simpson
, P.
McKenna
, K. W. D.
Ledingham
, R. J.
Clarke
, T.
McCanny
, D.
Neely
, O.
Lundh
, F.
Lindau
, C. G.
- Wahlström
, and M.
Zepf
, Nat. Phys.
3
, 58
(2007
).8.
T.
Cowan
, J.
Fuchs
, H.
Ruhl
, A.
Kemp
, P.
Audebert
, M.
Roth
, R.
Stephens
, I.
Barton
, A.
Blažević
, 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
, A.
Newkirk
, H.
Pepin
, and N.
Renard-LeGalloudec
, Phys. Rev. Lett.
92
, 204801
(2004
).9.
E.
Brambrink
, J.
Schreiber
, T.
Schlegel
, P.
Audebert
, J.
Cobble
, J.
Fuchs
, B. M.
Hegelich
, and M.
Roth
, Phys. Rev. Lett.
96
, 154801
(2006
).10.
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
, 3
(2007
).11.
I.
Spencer
, K. W. D.
Ledingham
, R. P.
Singhal
, T.
McCanny
, P.
McKenna
, E. L.
Clark
, K.
Krushelnick
, M.
Zepf
, F. N.
Beg
, M.
Tatarakis
, A. E.
Dangor
, P. A.
Norreys
, R. J.
Clarke
, R. M.
Allott
, and I. N.
Ross
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
183
, 449
(2001
).12.
V.
Malka
, S.
Fritzler
, E.
Lefebvre
, E.
d'Humieres
, R.
Ferrand
, G.
Grillon
, C.
Albaret
, S.
Meyroneinc
, J. P.
- Chambaret
, A.
Antonetti
, and D.
Hulin
, Med. Phys.
31
, 1587
(2004
).13.
M.
Borghesi
, D. H.
Campbell
, A.
Schiavi
, O.
Willi
, A. J.
Mackinnon
, D.
Hicks
, P.
Patel
, L. A.
Gizzi
, M.
Galimberti
, and R. J.
Clarke
, Laser Part. Beams
20
, 269
(2002
).14.
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
).15.
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
).16.
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
).17.
P.
Mora
, Phys. Rev. Lett.
90
, 185002
(2003
).18.
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
).19.
A. J.
Kemp
, J.
Fuchs
, Y.
Sentoku
, V.
Sotnikov
, M.
Bakeman
, P.
Antici
, and T. E.
Cowan
, Phys. Rev. E
75
, 056401
(2007
).20.
S.
Karsch
, S.
Düsterer
, H.
Schwoerer
, F.
Ewald
, D.
Habs
, M.
Hegelich
, G.
Pretzler
, A.
Pukhov
, K.
Witte
, and R.
Sauerbrey
, Phys. Rev. Lett.
91
, 015001
(2003
).21.
J.
Fuchs
, Y.
Sentoku
, S.
Karsch
, J.
Cobble
, P.
Audebert
, A.
Kemp
, A.
Nikroo
, P.
Antici
, E.
Brambrink
, A.
Blažević
, E. M.
Campbell
, J. C.
Fernandez
, J. C.
- Gauthier
, M.
Geissel
, M.
Hegelich
, H.
Pepin
, H.
Popescu
, N.
Renard-LeGalloudec
, M.
Roth
, J.
Schreiber
, R.
Stephens
, and T. E.
Cowan
, Phys. Rev. Lett.
94
, 045004
(2005
).22.
Y.
Sentoku
, K.
Mima
, P.
Kaw
, and K.
Nishikawa
, Phys. Rev. Lett.
90
, 155001
(2003
).23.
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
).24.
B. M.
Hegelich
, B. J.
Albright
, J.
Cobble
, K.
Flippo
, S.
Letzring
, M.
Paffett
, H.
Ruhl
, J.
Schreiber
, R. K.
Schulze
, and J. C.
Fernández
, Nature (London)
439
, 441
(2006
).25.
H.
Ruhl
, T. E.
Cowan
, and J.
Fuchs
, Phys. Plasmas
11
, L17
(2004
).26.
M.
Roth
, A.
Blažević
, 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
).27.
GafChromic radiochromic film types HD-810, HS, MD-55; ISP Corporation, Wayne, New Jersey 07470, USA, http://www.ispcorp.com/products/dosimetry/ (
2008
).28.
W. L.
McLaughlin
, M.
Al-Sheikhly
, D. F.
Lewis
, A.
Kovacs
, and L.
Wojnarovits
, Radiochromic Solid-State Polymerization Reaction
, Chap. 11 in: R. L.
Clough
and S. W.
Shalaby
, Irradiation of Polymers
(American Chemical Society
, Washington, DC
, 1996
).29.
D. S.
Hey
, M. H.
Key
, A. J.
Mackinnon
, A. G.
MacPhee
, P. K.
Patel
, R. R.
Freeman
, L. D.
Van Woerkom
, and C. M.
Castaneda
, Rev. Sci. Instrum.
79
, 053501
(2008
).30.
A.
Niroomand-Rad
, C. R.
Blackwell
, B. M.
Coursey
, K. P.
Gall
, J. M.
Galvin
, W. L.
McLaughlin
, A. S.
Meigooni
, R.
Nath
, J. E.
Rodgers
, and C. G.
Soares
, Med. Phys.
25
, 2093
(1998
).31.
H.
Alva
, H.
Mercado-Uribe
, M.
Rodriguez-Villafuerte
, and M. E.
Brandan
, Phys. Med. Biol.
47
, 2925
(2002
).32.
Grey wedge #T4110cc, Stouffer Graphic Arts, Mishawaka, IN 46544, USA; 41 Steps from Optical Density 1 to 4, http://www.stouffer.net (
2008
).33.
J. F.
Ziegler
, J. P.
Biersack
, and U.
Littmark
, The Stopping and Range of Ions in Solids
(Pergamon
, New York
, 1985
).34.
A. Z.
Jones
, C. D.
Bloch
, E. R.
Hall
, R.
Hashemian
, S. B.
Klein
, B.
von Przewoski
, K. M.
Murray
and C. C.
Foster
, IEEE Trans. Nucl. Sci.
46
, 1762
(1999
).35.
36.
F. M.
Bieniosek
, L. R.
Prost
, P. A.
Seidl
, A. W.
Molvik
, and M. Kireeff
Covo
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
544
, 268
(2005
).37.
J.
Fuchs
, Y.
Sentoku
, E.
d'Humieres
, T. E.
Cowan
, J.
Cobble
, P.
Audebert
, A.
Kemp
, A.
Nikroo
, P.
Antici
, E.
Brambrink
, A.
Blažević
, E. M.
Campbell
, J. C.
Fernandez
, J. C.
- Gauthier
, M.
Geissel
, M.
Hegelich
, S.
Karsch
, H.
Popescu
, N.
Renard-LeGalloudec
, M.
Roth
, J.
Schreiber
, R.
Stephens
, and H.
Pepin
, Phys. Plasmas
14
, 053105
(2007
).38.
P. M.
Lapostolle
, IEEE Trans. Nucl. Sci.
18
, 1101
(1971
).39.
M.
Reiser
, Theory and Design of Charged Particle Beams
(Wiley
, Albuquerque, NM
, 1994
).40.
J.
Fuchs
, P.
Antici
, E. D.
Humieres
, E.
Lefebvre
, M.
Borghesi
, E.
Brambrink
, C. A.
Cecchetti
, M.
Kaluza
, V.
Malka
, M.
Manclossi
, S.
Meyroneinc
, P.
Mora
, J.
Schreiber
, T.
Toncian
, H.
Pepin
, and P.
Audebert
, Nat. Phys.
2
, 48
(2006
).41.
P.
Mora
, Phys. Rev. E
72
, 056401
(2005
).42.
J.
Fuchs
, C. A.
Cecchetti
, M.
Borghesi
, T.
Grismayer
, E.
d'Humieres
, 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
).43.
44.
K.
Harres
, M.
Schollmeier
, E.
Brambrink
, P.
Audebert
, A.
Blažević
, K.
Flippo
, D. C.
Gautier
, M.
Geißel
, B. M.
Hegelich
, F.
Nürnberg
, J.
Schreiber
, H.
Wahl
, and M.
Roth
, Rev. Sci. Instrum.
79
, 093306
(2008
).45.
B.
Dromey
, S.
Kar
, P.
Foster
, and M.
Zepf
, Rev. Sci. Instrum.
75
, 645
(2004
).46.
A. P.
Fews
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
71
, 465
(1992
).47.
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
).48.
Injector group, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany, www-inj.gsi.de (
2007
).49.
T.
Winkelmann
, R.
Cee
, T.
Haberer
, N.
Naas
, A.
Peters
, S.
Scheloske
, P.
Spädtke
, and K.
Tinschert
, Rev. Sci. Instrum.
79
, 02A331
(2008
).50.
E.
Breschi
, M.
Borghesi
, M.
Galimberti
, D.
Giuliettia
, L. A.
Gizzia
, and L.
Romagnani
, Laser Part. Beams
22
, 393
(2004
).© 2009 American Institute of Physics.
2009
American Institute of Physics
You do not currently have access to this content.