This article reports on the development and the first applications of a new spectrometer which enables the precise and time-resolved measurement of both the energy loss and the charge-state distribution of ion beams with 10 < Z < 30 at energies of 4–8 MeV/u after their interaction with a laser-generated plasma. The spectrometer is based on five 20 × 7 mm2 large and 20 μm thick polycrystalline diamond samples produced via the Chemical Vapour Deposition (CVD) process and was designed with the help of ion-optical simulations. First experiments with the spectrometer were successfully carried out at GSI using 48Ca ions at an energy of 4.8 MeV/u interacting with a carbon plasma generated by the laser irradiation of a thin foil target. Owing to the high rate capability and the short response time of the spectrometer, pulsed ion beams with 103–104 ions per bunch at a bunch frequency of 108 MHz could be detected. The temporal evolution of the five main charge states of the calcium ion beams as well as the corresponding energy loss values could be measured simultaneously. Due to the outstanding properties of diamond as a particle detector, a beam energy resolution

$\frac{\Delta E}{E}$
ΔEE ≈ 0.1% could be reached using the presented experimental method, while a precision of 10% in the energy loss and charge-state distribution data was obtained.

1.
N.
Bohr
,
Philos. Mag.
25
,
10
(
1913
).
2.
H.
Bethe
,
Ann. Phys.
397
,
325
(
1930
).
3.
F.
Bloch
,
Ann. Phys.
408
,
285
(
1933
).
4.
P.
Sigmund
and
A.
Schinner
,
Eur. Phys. J. D
12
,
425
(
2000
).
5.
G.
Maynard
,
C.
Deutsch
,
K.
Dimitriou
,
K.
Katsonis
, and
M.
Sarrazin
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
195
,
188
(
2002
).
6.
P. L.
Grande
and
G.
Schiwietz
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
195
,
55
(
2002
).
7.
B. G.
Logan
,
L. J.
Perkins
, and
J. J.
Barnard
,
Phys. Plasmas
15
,
072701
(
2008
).
8.
C.
Deutsch
,
M.
Gombert
,
G.
Maynard
,
J.
Didelez
, and
E.
Sonnendrücker
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
577
,
D5
(
2007
).
9.
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
).
10.
M.
Temporal
,
Phys. Plasmas
13
,
122704
(
2006
).
11.
J. C.
Fernández
,
J. J.
Honrubia
,
B. J.
Albright
,
K. A.
Flippo
,
D. C.
Gautier
,
B. M.
Hegelich
,
M. J.
Schmitt
,
M.
Temporal
, and
L.
Yin
,
Nucl. Fusion
49
,
065004
(
2009
).
12.
M.
Roth
,
C.
Stöckl
,
W.
Süß
,
O.
Iwase
,
D. O.
Gericke
,
R.
Bock
,
D. H. H.
Hoffmann
,
M.
Geissel
, and
W.
Seelig
,
Europhys. Lett.
50
,
28
(
2000
).
13.
A.
Frank
,
A.
Blažević
,
P. L.
Grande
,
K.
Harres
,
T.
Heßling
,
D. H. H.
Hoffmann
,
R.
Knobloch-Maas
,
P. G.
Kuznetsov
,
F.
Nürnberg
,
A.
Pelka
,
G.
Schaumann
,
G.
Schiwietz
,
A.
Schökel
,
M.
Schollmeier
,
D.
Schumacher
,
J.
Schütrumpf
,
V. V.
Vatulin
,
O. A.
Vinokurov
, and
M.
Roth
,
Phys. Rev. E
81
,
026401
(
2010
).
14.
N.
Bohr
,
Phys. Rev.
59
,
270
(
1941
).
15.
L. C.
Northcliffe
,
Annu. Rev. Nucl. Part. Sci.
13
,
67
(
1963
).
16.
A.
Frank
,
A.
Blažević
,
V.
Bagnoud
,
M.
Basko
,
M.
Börner
,
W.
Cayzac
,
D.
Kraus
,
T.
Hessling
,
D. H. H.
Hoffmann
,
A.
Ortner
,
A.
Otten
,
A.
Pelka
,
D.
Pepler
,
D.
Schumacher
,
A.
Tauschwitz
, and
M.
Roth
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
115001
(
2013
).
17.
A.
Golubev
,
V.
Turtikov
,
A.
Fertman
,
I.
Roudskoy
,
B.
Sharkov
,
M.
Geissel
,
U.
Neuner
,
M.
Roth
,
A.
Tauschwitz
,
H.
Wahl
,
D. H. H.
Hoffmann
,
U.
Funk
,
W.
Süß
, and
J.
Jacoby
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
464
,
247
(
2001
).
18.
K. E.
Spear
and
J. P.
Dismukes
,
Synthetic Diamond: Emerging CVD-Science and Technology
(
John Wiley and Sons, Inc.
,
1994
).
19.
E.
Berdermann
,
W.
de Boer
,
M.
Ciobanu
,
S.
Dunst
,
M.
Kis
,
W.
Koenig
,
P.
Moritz
,
J.
Morse
,
S.
Muller
,
C.
Nociforo
,
M.
Pomorski
,
M.
Schreck
,
M. S.
Rahman
,
M.
Träger
, and
H.
Weick
, “
CVD Diamond Detectors - R & D Status and New Results
,” in
Proceedings of the XLVIII International Winter Meeting on Nuclear Physics in Memoriam of Ileana Iori
,
Bormio, Italy
, 25–29 January
2010
.
20.
H.
Kagan
and
W.
Trishuk
,
CVD Diamond for Electronic Devices and Sensors
,
Wiley Series Materials for Electronic and Optoelectronic Applications
, edited by
R. S.
Sussman
(
Wiley
,
2009
), p.
207
.
21.
W.
Adam
,
E.
Berdermann
,
P.
Bergonzo
,
G.
Bertuccio
,
F.
Bogani
,
E.
Borchi
,
A.
Brambilla
,
M.
Bruzzi
,
C.
Colledani
,
J.
Conway
,
P.
D’Angelo
,
W.
Dabrowski
,
P.
Delpierre
,
A.
Deneuville
,
W.
Dulinski
,
B.
van Eijk
,
A.
Fallou
,
F.
Fizzotti
,
F.
Foulon
,
M.
Friedl
,
K. K.
Gan
,
E.
Gheeraert
,
G.
Hallewell
,
S.
Han
,
F.
Hartjes
,
J.
Hrubec
,
D.
Husson
,
H.
Kagan
,
D.
Kania
,
J.
Kaplon
,
R.
Kass
,
T.
Koeth
,
M.
Krammer
,
A.
Logiudice
,
R.
Lu
,
L.
Mac Lynne
,
C.
Manfredotti
,
D.
Meier
,
M.
Mishina
,
L.
Moroni
,
J.
Noomen
,
A.
Oh
,
L. S.
Pan
,
M.
Pernicka
,
A.
Peitz
,
L.
Perera
,
S.
Pirollo
,
M.
Procario
,
J. L.
Riester
,
S.
Roe
,
L.
Rousseau
,
A.
Rudge
,
J.
Russ
,
S.
Sala
,
M.
Sampietro
,
S.
Schnetzer
,
S.
Sciortino
,
H.
Stelzer
,
R.
Stone
,
B.
Suter
,
R. J.
Tapper
,
R.
Tesarek
,
W.
Trischuk
,
D.
Tromson
,
E.
Vittone
,
A. M.
Walsh
,
R.
Wedenig
,
P.
Weilhammer
,
M.
Wetstein
,
C.
White
,
W.
Zeuner
, and
M.
Zoeller
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
476
,
686
(
2002
).
22.
W.
Adam
,
W.
de Boer
,
E.
Borchi
,
M.
Bruzzi
,
C.
Colledani
,
P.
D’Angelo
,
V.
Dabrowski
,
W.
Dulinski
,
B.
van Eijk
,
V.
Eremin
,
F.
Fizzotti
,
H.
Frais-Kölbl
,
C.
Furetta
,
K. K.
Gan
,
A.
Gorisek
,
E.
Griesmayer
,
E.
Grigoriev
,
F.
Hartjes
,
J.
Hrubec
,
F.
Huegging
,
H.
Kagan
,
J.
Kaplon
,
R.
Kass
,
K. T.
Knöpfle
,
M.
Krammer
,
W.
Lange
,
A.
Logiudice
,
C.
Manfredotti
,
M.
Mathes
,
D.
Menichelli
,
M.
Mishina
,
L.
Moroni
,
J.
Noomen
,
A.
Oh
,
H.
Pernegger
,
M.
Pernicka
,
R.
Potenza
,
J. L.
Riester
,
A.
Rudge
,
S.
Sala
,
S.
Schnetzer
,
S.
Sciortino
,
R.
Stone
,
C.
Sutera
,
W.
Trischuk
,
J. J.
Velthuis
,
B.
Vincenzo
,
P.
Weilhammer
,
J.
Weingarten
,
N.
Wermes
, and
W.
Zeuner
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
565
,
278
(
2006
).
23.
E.
Berdermann
,
E.
Badura
,
C.
Neyer
,
R.
Schulze
, and
H.
Stelzer
,
Nucl. Phys. B, Proc. Suppl.
61
,
399
(
1998
).
24.
J.
Isberg
,
J.
Hammersberg
,
E.
Johansson
,
T.
Wikström
,
D. J.
Twitchen
,
A. J.
Whitehead
,
S. E.
Coe
, and
G. A.
Scarsbrook
,
Science
297
,
1670
(
2002
).
25.
M.
Pomorski
,
E.
Berdermann
,
W.
de Boer
,
A.
Furgeri
,
C.
Sander
, and
J.
Morse
,
Diamond Relat. Mater.
16
,
1066
(
2007
).
26.
M.
Nesladek
,
A.
Bogdan
,
W.
Deferme
,
N.
Tranchant
, and
P.
Bergonzo
,
Diamond Relat. Mater.
17
,
1235
(
2008
).
27.
E.
Berdermann
,
K.
Blasche
,
P.
Moritz
,
H.
Stelzer
, and
B.
Voss
,
Diamond Relat. Mater.
10
,
1770
(
2001
).
28.
E.
Berdermann
,
M.
Pomorski
,
W.
de Boer
,
M.
Ciobanu
,
S.
Dunst
,
C.
Grah
,
M.
Ki
,
W.
Koenig
,
W.
Lange
,
W.
Lohmann
,
R.
Lovrincic
,
P.
Moritz
,
J.
Morse
,
S.
Mueller
,
A.
Pucci
,
M.
Schreck
,
S.
Rahman
, and
M.
Träger
,
Diamond Relat. Mater.
19
,
358
(
2010
).
29.
T.
Behnke
,
P.
Hüntemeyer
,
A.
Oh
,
J.
Steuerer
,
A.
Wagner
, and
W.
Zeuner
, e-print arXiv:hep-ex/9804006.
30.
J.
Ziegler
,
J.
Biersack
, and
U.
Littmark
, in
The Stopping and Range of Ions in Matter
(
Pergamon Press
,
New York
,
1985
), Vol.
1
.
31.
B.
Franczak
, in
Computing in Accelerator Design and Operation
,
Lecture Notes in Physics
Vol.
215
, edited by
W.
Busse
and
R.
Zelazny
(
Springer Verlag
,
Berlin
,
1984
), pp.
170
175
.
32.
D.
Lattanzi
,
M.
Angelone
,
M.
Pillon
,
S.
Almaviva
,
M.
Marinelli
,
E.
Milani
,
G.
Prestopino
,
A.
Tucciarone
,
C.
Verona
,
G.
Verona-Rinati
,
S.
Popovichev
,
R.
Montereali
,
M.
Vincenti
, and
A.
Murari
,
Fusion Eng. Des.
84
,
1156
(
2009
).
33.
M. P.
Hiscocks
,
C. J.
Kaalund
,
F.
Ladouceur
,
S. T.
Huntington
,
B. C.
Gibson
,
S.
Trpkovski
,
D.
Simpson
,
E.
Ampem-Lassen
,
S.
Prawer
, and
J. E.
Butler
,
Diamond Relat. Mater.
17
,
1831
(
2008
).
34.
Diamond Materials GmbH, Tullastraße 72, 79108 Freiburg, Germany.
35.
P.
Moritz
,
E.
Berdermann
,
K.
Blasche
,
H.
Stelzer
, and
B.
Voss
,
Diamond Relat. Mater.
10
,
1765
(
2001
).
36.
G.
Schiwietz
and
P. L.
Grande
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
175
,
125
(
2001
).
37.
M. M.
Basko
,
J.
Maruhn
, and
A.
Tauschwitz
,
J. Comput. Phys.
228
,
2175
(
2009
).
38.
A.
Tauschwitz
,
M.
Basko
,
A.
Frank
,
V.
Novikov
,
A.
Grushin
,
A.
Blažević
,
M.
Roth
, and
J.
Maruhn
,
High Energy Density Phys.
9
,
158
(
2013
).
39.
M.
Börner
,
J.
Fils
,
A.
Frank
,
A.
Blažević
,
T.
Hessling
,
A.
Pelka
,
G.
Schaumann
,
A.
Schökel
,
D.
Schumacher
,
M. M.
Basko
,
J.
Maruhn
,
A.
Tauschwitz
, and
M.
Roth
,
Rev. Sci. Instrum.
83
,
043501
(
2012
).
40.
N. K.
Skobelev
,
R.
Kalpakchieva
,
R. A.
Astabatyan
,
J.
Vincour
,
A. A.
Kulko
,
S. P.
Lobastov
,
S. M.
Lukyanov
,
E. R.
Markaryan
,
V. A.
Maslov
,
Y. E.
Penionzhkevich
,
Y. G.
Sobolev
, and
V. Y.
Ugryumov
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
227
,
471
(
2005
).
You do not currently have access to this content.