We present the generation of quasi-monoenergetic electron beams via ionization injection in a laser wakefield acceleration by using a krypton–helium plasma. We obtained higher-energy electron beams of low divergence as compared with beams from the nitrogen–helium plasma at low plasma densities. This is attributed to an immediate ionization, trapping and acceleration of many electrons from several inner shells of the krypton atoms. On the other hand, there are very high ionization potentials of the K-shell nitrogen electrons which require the pulse (in our laser-plasma parameters) to experience a self-focusing (after 1.6 mm of propagation) at first before any ionization injection and acceleration of those two electrons per atom can occur. Based on those high-quality electron beams from the Kr–He plasmas, we generated ultra-relativistic positron beams with energies up to 100 MeV by placing a lead slab converter with a thickness of the order of its radiation length in the electron beam path after the gas jet. Experimental and Mont-Carlo simulated energy spectra of the positron beams are compared for the energy range of 30 MeV ≤ Ee+ ≤ 100 MeV along with the positron yields. In addition, various parameters of the positrons are investigated against the primary electron beam parameters. Such electron–positron cascading experiment could be helpful in future development for the composition of an all-optical electron–positron collider.
我々は、クリプトン–ヘリウムプラズマを用いたレーザー航跡場加速におけるイオン化入射による準単色電子ビームの生成を提示する。低プラズマ密度において、窒素–ヘリウムプラズマからのビームと比較して、低発散の高エネルギー電子ビームを得た。これは、クリプトン原子の複数の内殻からの多くの電子の即時的なイオン化、捕捉、および加速に起因する。一方、K殻窒素電子のイオン化ポテンシャルは非常に高く、そのため（我々のレーザー–プラズマパラメータでは）パルスは、それらの原子あたり2個の電子のイオン化入射および加速が起こる前に、まず（1.6 mm伝播後に）自己集束を経験する必要がある。Kr–Heプラズマからのこれらの高品質電子ビームに基づき、ガスジェット後の電子ビーム経路に、その放射長のオーダーの厚さを有する鉛スラブコンバータを配置することにより、最大100 MeVのエネルギーを持つ超相対論的陽電子ビームを生成した。実験およびモンテカルロシミュレーションによる陽電子ビームのエネルギースペクトルを、30 MeV ≤ Ee+ ≤ 100 MeVのエネルギー範囲における陽電子収量とともに比較した。さらに、陽電子の様々なパラメータを一次電子ビームパラメータに対して調査した。このような電子–陽電子カスケード実験は、全光学式電子–陽電子衝突器の将来の開発に役立つ可能性がある。