This paper presents an experimental and theoretical study of betatron x-ray radiation from laser wakefield acceleration in the self-modulated regime. Our experiments use picosecond duration laser pulses up to 150 J, for plasmas with electronic densities on the order of 1019 cm−3. In the self-modulated regime, electrons accelerated in the wake of the laser pulse are subject to both the longitudinal plasma and transverse laser electrical fields. As a result, they undergo oscillations and radiate a synchrotron-like spectrum. In our experimental configuration, electrons accelerated up to about 300 MeV, as well as betatron x-ray spectra with energies of 10 s of keV and photon fluxes between 108–1010 photons/eV/Sr are reported. Our experiments open the prospect of using betatron x-ray radiation for applications, and the source could be competitive with current x-ray backlighting methods on multi-kilojoule laser systems used for high energy density or fusion sciences.
本論文は、自己変調領域におけるレーザー航跡場加速からのベータトロンX線放射に関する実験的および理論的研究を提示する。我々の実験では、電子密度が10¹⁹ cm⁻³のオーダーであるプラズマに対して、150 Jまでのピコ秒持続時間のレーザーパルスを使用する。自己変調領域では、レーザーパルスの航跡場中で加速される電子は、縦方向のプラズマ電場と横方向のレーザー電場の両方の影響を受ける。その結果、それらは振動を起こし、シンクロトロン様のスペクトルを放射する。我々の実験構成では、約300 MeVまで加速された電子とともに、数十keVのエネルギーおよび10⁸〜10¹⁰光子/eV/srのフラックスを持つベータトロンX線スペクトルが報告される。我々の実験は、ベータトロンX線放射を応用に用いる可能性を開くものであり、この光源は、高エネルギー密度科学や核融合科学に使用されるマルチキロジュールレーザーシステムにおける現在のX線バックライティング手法と競合し得る。