Particle counting analysis (PCA) with a multi-stage scintillation detector shows a new perspective on angularly resolved spectral characterization of GeV-scale, multi-species ion beams produced by high-power lasers. The diagnosis provides a mass-dependent ion energy spectrum based on time-of-flight and pulse-height analysis of single particle events detected through repetitive experiments. With a novel arrangement of multiple scintillators with different ions stopping powers, PCA offers potential advantages over commonly used diagnostic instruments (CR-39, radiochromic films, Thomson parabola, etc.) in terms of coverage solid angle, detection efficiency for GeV-ions, and real-time analysis during the experiment. The basic detector unit was tested using 230-MeV proton beam from a synchrotron facility, where we demonstrated its potential ability to discriminate major ion species accelerated in laser–plasma experiments (i.e., protons, deuterons, carbon, and oxygen ions) with excellent energy and mass resolution. The proposed diagnostic concept would be essential for a better understanding of laser-driven particle acceleration, which paves the way toward all-optical compact accelerators for a range of applications.

1.
D.
Strickland
and
G.
Mourou
,
Opt. Commun.
56
,
219
(
1985
).
2.
S. E.
Woosley
,
Nat. Phys.
3
,
832
(
2007
).
3.
K. F. F.
Law
,
Y.
Abe
,
A.
Morace
,
Y.
Arikawa
,
S.
Sakata
,
S.
Lee
,
K.
Matsuo
,
H.
Morita
,
Y.
Ochiai
,
C.
Liu
,
A.
Yogo
,
K.
Okamoto
,
D.
Golovin
,
M.
Ehret
,
T.
Ozaki
,
M.
Nakai
,
Y.
Sentoku
,
J. J.
Santos
,
E.
d’Humières
,
Ph.
Korneev
, and
S.
Fujioka
,
Phys. Rev. E
102
,
033202
(
2020
).
4.
Y.
Kuramitsu
,
T.
Moritaka
,
Y.
Sakawa
,
T.
Morita
,
T.
Sano
,
M.
Koenig
,
C. D.
Gregory
,
N.
Woolsey
,
K.
Tomita
,
H.
Takabe
,
Y. L.
Liu
,
S. H.
Chen
,
S.
Matsukiyo
, and
M.
Hoshino
,
Nat. Commun.
9
,
5109
(
2018
).
5.
H.
Takabe
and
Y.
Kuramitsu
,
High Power Laser Sci. Eng.
9
,
E49
(
2021
).
6.
J. C.
Fernández
,
B. J.
Albright
,
F. N.
Beg
,
M. E.
Foord
,
B. M.
Hegelich
,
J. J.
Honrubia
,
M.
Roth
,
R. B.
Stephens
, and
L.
Yin
,
Nucl. Fusion
54
,
054006
(
2014
).
7.
D.
Margarone
,
A.
Morace
,
J.
Bonvalet
,
Y.
Abe
,
V.
Kantarelou
,
D.
Raffestin
,
L.
Giuffrida
,
P.
Nicolai
,
M.
Tosca
,
A.
Picciotto
,
G.
Petringa
,
G. A. P.
Cirrone
,
Y.
Fukuda
,
Y.
Kuramitsu
,
H.
Habara
,
Y.
Arikawa
,
S.
Fujioka
,
E.
D'Humieres
,
G.
Korn
, and
D.
Batani
,
Front. Phys.
8
,
343
(
2020
).
9.
J. S.
Green
,
A. P. L.
Robinson
,
N.
Booth
,
D. C.
Carroll
,
R. J.
Dance
,
R. J.
Gray
,
D. A.
MacLellan
,
P.
McKenna
,
C. D.
Murphy
,
D.
Rusby
, and
L.
Wilson
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
214101
(
2014
).
10.
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
).
11.
S. C.
Wilks
,
W. L.
Kruer
,
M.
Tabak
, and
A. B.
Langdon
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
1383
(
1992
).
13.
J.
Ogino
,
S.
Tokita
,
S.
Kitajima
,
H.
Yoshida
,
Z.
Li
,
S.
Motokoshi
,
N.
Morio
,
K.
Tsubakimoto
,
K.
Fujioka
,
R.
Kodama
, and
J.
Kawanaka
,
Opt. Lett.
46
,
621
(
2021
).
14.
F.
Albert
,
M. E.
Couprie
,
A.
Debus
,
M. C.
Downer
,
J.
Faure
,
A.
Flacco
,
L. A.
Gizzi
,
T.
Grismayer
,
A.
Huebl
,
C.
Joshi
,
M.
Labat
,
W. P.
Leemans
,
A. R.
Maier
,
S. P. D.
Mangles
,
P.
Mason
,
F.
Mathieu
,
P.
Muggli
,
M.
Nishiuchi
,
J.
Osterhoff
,
P. P.
Rajeev
,
U.
Schramm
,
J.
Schreiber
,
A. G. R.
Thomas
,
J.-L.
Vay
,
M.
Vranic
, and
K.
Zeil
,
New J. Phys.
23
,
031101
(
2021
).
15.
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
).
16.
F.
Nürnberg
,
M.
Schollmeier
,
E.
Brambrink
,
A.
Blažević
,
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
).
17.
J. J.
Thomson
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
89
,
1
20
(
1913
).
18.
M.
Kanasaki
,
S.
Jinno
,
H.
Sakaki
,
K.
Kondo
,
K.
Oda
,
T.
Yamauchi
, and
Y.
Fukuda
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
58
,
043013
(
2016
).
19.
T.
Hihara
,
M.
Kanasaki
,
T.
Asai
,
T.
Kusumoto
,
S.
Kodaira
,
H.
Kiriyama
,
K.
Oda
,
T.
Yamauchi
,
W.-Y.
Woon
,
Y.
Kuramitsu
, and
Y.
Fukuda
,
Sci. Rep.
11
,
016283
(
2021
).
20.
Y.
Abe
,
A.
Morace
,
Y.
Arikawa
,
S. R.
Mirfayzi
,
D.
Golovin
,
K. F. F.
Law
,
S.
Fujioka
,
A.
Yogo
, and
M.
Nakai
,
Rev. Sci. Instrum.
92
,
063301
(
2021
).
21.
M.
Schollmeier
,
M.
Geissel
,
A. B.
Sefkow
, and
K. A.
Flippo
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
043305
(
2014
).
22.
A.
Alejo
,
D.
Gwynne
,
D.
Doria
,
H.
Ahmed
,
D. C.
Carroll
,
R. J.
Clarke
,
D.
Neely
,
G. G.
Scott
,
M.
Borghesi
, and
S.
Kar
,
J. Instrum.
11
,
C10005
(
2016
).
23.
T.
Asai
,
M.
Kanasaki
,
S.
Jinno
,
N.
Kitagawa
,
N.
Shutoh
,
S.
Kodaira
,
T.
Yamauchi
,
K.
Oda
,
K.
Morishima
, and
Y.
Fukuda
,
High Energy Density Phys.
32
,
44
(
2019
).
24.
J. J.
Blaising
,
O.
Callot
, and
R.
Morand
,
Nucl. Instrum. Methods
133
,
93
(
1976
).
25.
A. O.
Tokiyasu
,
M.
Niiyama
,
J. D.
Parker
,
D. S.
Ahn
,
J. K.
Ahn
,
S.
Ajimura
,
H.
Akimune
,
Y.
Asano
,
W. C.
Chang
,
J. Y.
Chen
,
S.
Daté
,
H.
Ejiri
,
H.
Fujimura
,
M.
Fujiwara
,
S.
Fukui
,
S.
Hasegawa
,
K.
Hicks
,
K.
Horie
,
T.
Hotta
,
S. H.
Hwang
,
K.
Imai
,
T.
Ishikawa
,
T.
Iwata
,
Y.
Kato
,
H.
Kawai
,
K.
Kino
,
H.
Kohri
,
Y.
Kon
,
N.
Kumagai
,
D. L.
Lin
,
Y.
Maeda
,
S.
Makino
,
T.
Matsuda
,
T.
Matsumura
,
N.
Matsuoka
,
T.
Mibe
,
M.
Miyabe
,
M.
Miyachi
,
N.
Muramatsu
,
R.
Murayama
,
T.
Nakano
,
Y.
Nakatsugawa
,
M.
Nomachi
,
Y.
Ohashi
,
H.
Ohkuma
,
T.
Ohta
,
T.
Ooba
,
D. S.
Oshuev
,
C.
Rangacharyulu
,
S. Y.
Ryu
,
A.
Sakaguchi
,
T.
Sawada
,
P. M.
Shagin
,
Y.
Shiino
,
H.
Shimizu
,
E. A.
Strokovsky
,
Y.
Sugaya
,
M.
Sumihama
,
J. L.
Tang
,
Y.
Toi
,
H.
Toyokawa
,
T.
Tsunemib
,
M.
Uchida
,
M.
Ungaro
,
A.
Wakai
,
C. W.
Wang
,
S. C.
Wang
,
K.
Yonehara
,
T.
Yorita
,
M.
Yoshimura
,
M.
Yosoi
, and
R. G. T.
Zegers
,
Phys. Lett. B
728
,
616
(
2014
).
26.
H.
Kohri
,
S. H.
Shiu
,
W. C.
Chang
,
Y.
Yanai
,
D. S.
Ahn
,
J. K.
Ahn
,
J. Y.
Chen
,
S.
Date
,
H.
Ejiri
,
H.
Fujimura
,
M.
Fujiwara
,
S.
Fukui
,
W.
Gohn
,
K.
Hicks
,
A.
Hosaka
,
T.
Hotta
,
S. H.
Hwang
,
K.
Imai
,
T.
Ishikawa
,
K.
Joo
,
Y.
Kato
,
Y.
Kon
,
H. S.
Lee
,
Y.
Maeda
,
T.
Mibe
,
M.
Miyabe
,
Y.
Morino
,
N.
Muramatsu
,
T.
Nakano
,
Y.
Nakatsugawa
,
S. I.
Nam
,
M.
Niiyama
,
H.
Noumi
,
Y.
Ohashi
,
T.
Ohta
,
M.
Oka
,
J. D.
Parker
,
C.
Rangacharyulu
,
S. Y.
Ryu
,
T.
Sawada
,
H.
Shimizu
,
E. A.
Strokovsky
,
Y.
Sugaya
,
M.
Sumihama
,
T.
Tsunemi
,
M.
Uchida
,
M.
Ungaro
,
S. Y.
Wang
, and
M.
Yosoi
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
202004
(
2018
).
27.
L.
Yin
,
B. J.
Albright
,
B. M.
Hegelich
, and
J. C.
Fernández
,
Laser Part. Beams
24
,
291
298
(
2006
).
28.
L.
Yin
,
B.
Albright
,
K.
Bowers
,
D.
Jung
,
J.
Fernández
, and
B.
Hegelich
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
045003
(
2011
).
29.
D.
Jung
,
B. J.
Albright
,
L.
Yin
,
D. C.
Gautier
,
R.
Shah
,
S.
Palaniyappan
,
S.
Letzring
,
B.
Dromey
,
H.-C.
Wu
,
T.
Shimada
,
R. P.
Johnson
,
M.
Roth
,
J. C.
Fernandez
,
D.
Habs
, and
B. M.
Hegelich
,
New J. Phys.
15
,
123035
(
2013
).
30.
T.
Esirkepov
,
M.
Borghesi
,
S. V.
Bulanov
,
G.
Mourou
, and
T.
Tajima
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
175003
(
2004
).
31.
A. P. L.
Robinson
,
M.
Zepf
,
S.
Kar
,
R. G.
Evans
, and
C.
Bellei
,
New J. Phys.
10
,
013021
(
2008
).
32.
S.
Kar
,
K. F.
Kakolee
,
B.
Qiao
,
A.
Macchi
,
M.
Cerchez
,
D.
Doria
,
M.
Geissler
,
P.
McKenna
,
D.
Neely
,
J.
Osterholz
 et al,
Phys. Rev. Lett.
109
,
185006
(
2012
).
33.
R.
Matsui
,
Y.
Fukuda
, and
Y.
Kishimoto
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
014804
(
2019
).
34.
S.
Isayama
,
S. H.
Chen
,
Y. L.
Liu
,
H. W.
Chen
, and
Y.
Kuramitsu
,
Phys. Plasmas
28
,
073101
(
2021
).
35.
Y.
Kuramitsu
,
T.
Minami
,
T.
Hihara
,
K.
Sakai
,
T.
Nishimoto
,
S.
Isayama
,
Y. T.
Liao
,
K. T.
Wu
,
W. Y.
Woon
,
S. H.
Chen
,
Y. L.
Liu
,
S. M.
He
,
C. Y.
Su
,
M.
Ota
,
S.
Egashira
,
A.
Morace
,
Y.
Sakawa
,
Y.
Abe
,
H.
Habara
,
R.
Kodama
,
L. N. K.
Döhl
,
N.
Woolsey
,
M.
Koenig
,
H. S.
Kumar
,
N.
Ohnishi
,
M.
Kanasaki
,
T.
Asai
,
T.
Yamauchi
,
K.
Oda
,
K.
Kondo
,
H.
Kiriyama
, and
Y.
Fukuda
,
Sci. Rep.
12
,
2346
(
2022
).
36.
Y.
Abe
,
H.
Hosoda
,
Y.
Arikawa
,
T.
Nagai
,
S.
Kojima
,
S.
Sakata
,
H.
Inoue
,
Y.
Iwasa
,
K.
Iwano
,
K.
Yamanoi
,
S.
Fujioka
,
M.
Nakai
,
N.
Sarukura
,
H.
Shiraga
,
T.
Norimatsu
, and
H.
Azechi
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
11E126
(
2014
).
37.
Y.
Hirao
,
H.
Ogawa
,
S.
Yamada
,
Y.
Sato
,
T.
Yamada
,
K.
Sato
,
A.
Itano
,
M.
Kanazawa
,
K.
Noda
,
K.
Kawachi
,
M.
Endo
,
T.
Kanai
,
T.
Kohno
,
M.
Sudou
,
S.
Minohara
,
A.
Kitagawa
,
F.
Soga
,
E.
Takada
,
S.
Watanabe
,
K.
Endo
,
M.
Kumada
, and
S.
Matsumoto
,
Nucl. Phys. A
538
,
541c
550c
(
1992
).
38.
T.
Sato
,
Y.
Iwamoto
,
S.
Hashimoto
,
T.
Ogawa
,
T.
Furuta
,
S.-i.
Abe
,
T.
Kai
,
P.-E.
Tsai
,
N.
Matsuda
,
H.
Iwase
,
N.
Shigyo
,
L.
Sihver
, and
K.
Niita
,
J. Nucl. Sci. Technol.
55
,
684
690
(
2018
).
39.
S.
Gomi
,
H.
Hano
,
T.
Iijima
,
S.
Itoh
,
K.
Kawagoe
,
S. H.
Kim
,
T.
Kubota
,
T.
Maeda
,
T.
Matsumura
,
Y.
Mazuka
,
K.
Miyabayashi
,
H.
Miyata
,
T.
Murakami
,
T.
Nakadaira
,
T.
Nakaya
,
H.
Otono
,
E.
Sano
,
T.
Shinkawa
,
Y.
Sudo
,
T.
Takeshita
,
M.
Taguchi
,
T.
Tsubokawa
,
S.
Uozumi
,
M.
Yamaoka
,
H.
Yamazaki
,
M.
Yokoyama
,
K.
Yoshimura
, and
T.
Yoshioka
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
581
,
427
(
2007
).
40.
HAMAMATSU PHOTONICS
, Product catalog (MPPCs/SiPMs), https://www.hamamatsu.com/us/en/product/optical-sensors/mppc.html.
You do not currently have access to this content.